Scramjet

Scramjet
Concepção artística do 14-X, da Força Aérea Brasileira, com com um motor Scramjet acoplado na parte inferior.
Características
Classificação	airbreathing jet engine (componente do avião)
Categoria	Scramjets
Localização
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Scramjet (supersonic combustion ramjet - "ramjet de combustão supersônica") é um motor a jato derivado conceitualmente do ramjet. Ao contrário dos motores convencionais de turbina (turbojato e turbofan), e em analogia com o ramjet, o scramjet não utiliza peças rotativas para comprimir o ar, mas sim a energia cinética do fluxo de ar que entra e a geometria particular da entrada de ar.

Ao contrário do ramjet, o fluxo de ar no interior do motor, mesmo desacelerado, permanece sempre em velocidades supersônicas, permitindo que o scramjet opere eficientemente em velocidades extremamente altas, com um limite teórico ainda não estabelecido, mas ainda superior a Mach 6.

A estrutura do motor é extremamente simples e consiste em três partes principais: um duto convergente onde o fluxo supersônico de entrada é comprimido e desacelerado; uma câmara de combustão na qual o combustível na forma gasosa reage com o oxigênio atmosférico para produzir calor; um bocal convergente-divergente (tubeira de escape divergente) onde o fluxo, que em todas as fases manteve as condições de velocidade supersônica, é ainda mais acelerado, produzindo empuxo.

Por outro lado, para que esse tipo de motor funcione e gere empuxo, é necessária uma velocidade de partida muito alta em voo, portanto, deve ser colocado em regime supersônico por algum outro tipo de motor (foguete, turbofan). A aeronave experimental Boeing X-51 Waverider, por exemplo, foi levada a mais de 16.000 metros por um Boeing B-52, depois liberada e acelerada a Mach 4,5 por um foguete Pegasus, esta velocidade permitiu atingir as condições fluidodinâmicas adequadas para após a operação do motor scramjet, ele se desprendeu do foguete e, com a ignição do motor scramjet, atingiu Mach 5 a 23.300 m de altitude, com duração de voo de aproximadamente 200 segundos.

Histórico

Protótipo X-51 acoplado sob a asa de um B-52.

Em 1996 a NASA deu início ao projeto Hyper-X, que tinha como um dos objetivos viabilizar o desenvolvimento de aeronaves com motores scramjet. Em 2001 e 2002, foi testado o Scramjet NASA X-43 A, um protótipo de espaçonave não tripulada. Este protótipo teve o primeiro voo no primeiro semestre de 2004 atingindo velocidade de M=6.8 e em um segundo voo no final de 2004, já com outro protótipo, chegou a atingir M=9.6. A partir de 2010, foram feitos mais testes com esta tecnologia no desenvolvimento de um novo protótipo de pesquisa, o X-51 que chegou a atingir somente M=5.0. Neste projeto, com a aplicação nas aeronaves, os motores scramjet não conseguiram atingir a velocidade de projeto de M=15. Entretanto, o projeto Hyper-X, do qual estes protótipos faziam parte, não teve continuidade.

Aplicações

• Aeronaves hipersônicas
• Mísseis hipersônicos (em pesquisa)
• Setor militar
• Lançamentos espaciais

O Motor

Funcionamento do Scramjet.

Motores scramjet foram projetados para operar na seguinte faixa de Mach (M): 3.0 < M < 15. Isso significa que os motores conseguem trabalhar em até 51040,35 m/s, isto é 15 vezes mais rápido do que a velocidade do som, como o valor de 340,29 m/s.

Como estes motores operam com velocidades superiores a M=3, todos os protótipos e as aeronaves equipados com o motor scramjet são dependentes de uma segunda aeronave que possa levá-los a uma altitude mínima para que o scramjet começe a entrar em operação.

Os scramjets são tipos de motores com propulsão interna que podem funcionar com vários tipos de combustíveis químicos. Eles também são conhecidos como os propulsores que gerenciam e alternam a ligação do propelente, este por entre ligados a massa de combustível e ligados a massa equivalente a quanto o empuxo produzido pelo aparelho-combustível utilizado nas partes de um Foguete, neles existem propulsão, empuxo, impulso específico, massa, massa inicial, massa final, volume utilizado, impulso alternado, bocal de laval, tubeira e cone (o tamanho do foguete define sua altitude e interação da massa química utilizada entre as partes do propulsor-foguete.

Carácterísticas

Vista em corte do motor scramjet no X-43.

A tubeira tem um papel principal na queima de combustível. De acordo com o cálculo produzido e gerenciado pelo Alternador de combustível químico, pode-se dizer que a parte química do alternador, faz-se questão tanto do empuxo especifico variável inicial quanto o do empuxo especifico médio e impulso específico final, tal como IEV - impulso específico variável.

A queima total pode não ocorrer devido a ausência de calor dentro da tubeira, isso poderá ser feito se o construtor encaixar com precisão toda a parte química do combustível e na presença da mistura tal como o álcool como 'papa', transformando-se em uma substância pegajosa e mole, esse é o começo do aprendizado à propulsão da célula-combustível referente ao IEV e IEI, tendo como final a modelagem do foguete com papel a 20 ou tubo de aço 10-20, utilizado em altas temperaturas acima de 2.700 graus Celsius.

Este tipo de motor não possui complexidade de fabricação pelo seu design simplificado, além disso, nele não está integrado componentes móveis, o que facilita a sua montagem.

Funcionamento

Interface ar/motor

Apesar de um design simplificado, este motor requer avançado estudo devido à formação de ondas de choque que ocorrem em velocidades supesônicas. Para o projeto do X-43, a geometria foi desenvolvida de maneira que a onda de choque formada na extremidade da aeronave entrasse no motor permitindo o seu funcionamento. De forma simples pode-se dividir este motor em três áreas: Difusor, Combustor e nozzle (bocal de saída). Nos cones de entrada de motores scramjet é necessário um escoamento supersônoco de no mínimo Mach = 3.0 para que o escoamento possa ser ainda mais comprimido no interior do motor. Em seguida, o combustível de hidrogênio (gasoso) é injetado e sem centelhamento, somente com o aumento de temperatura e pressão a ignição do motor acontece. Assim, todo o ar injetado é expelido pelo nozzle (bocal de saída) que possui geometria projetada para não gerar perda de eficiência do motor.

Performance

Comparativo de performance dos motores.

Para fins de comparação, os motores scramjets equiparados a um motor de foguete apresentam um menor coeficiente de eficiência para uma mesma velocidade. Um motor scramjet estando a Mach = 3.0 apresenta uma eficiência de η = 0,4, enquanto um motor foguete gera aproximadamente η = 0,46.

Referências

[im Scramjet]