Idealizado novo tipo de motor de detonação para aviões e foguetes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/12/2024

Esquema conceitual de um veículo supersônico usando o motor de detonação ram-rotor.
[Imagem: Chinese Journal of Aeronautics]

Motores de detonação

Engenheiros da Universidade de Tsinghua, na China, apresentaram um novo conceito de motor de detonação, que pode ser usado para impulsionar aviões, foguetes e naves espaciais.

A detonação é uma onda de combustão supersônica, caracterizada por uma onda de choque impulsionada pela energia liberada por reações químicas intimamente acopladas. Aplicada em um motor, é uma forma típica de combustão com ganho de pressão, convertendo energia química em empuxo de forma eficiente. Diferente de um motor de foguete convencional, no qual o combustível queima continuamente, em um motor de detonação são geradas explosões sequenciais em uma estrutura rotativa em formato de anel. As explosões são de curta duração, mas repetidas em alta velocidade, garantindo um empuxo contínuo.

O conceito de aproveitar a detonação para melhorar a eficiência do ciclo termodinâmico e melhorar o desempenho dos sistemas de propulsão aeroespacial gera interesse há décadas. Desde os anos 1950, vários tipos de motores de detonação foram propostos, incluindo motores de detonação por pulso, motores de detonação oblíqua e motores de detonação rotativos. Mais recentemente, a Agência Espacial Japonesa (JAXA) testou um motor de detonação híbrido no espaço pela primeira vez.

No entanto, os três tipos de motores de detonação mais conhecidos enfrentam problemas, como a fraca continuidade do empuxo, elevados números Mach para dar o arranque e ganhos de desempenho insuficientes, o que tem limitado a aplicação generalizada dessa tecnologia de propulsão.

E aí que entra o novo conceito.

Projeto do novo motor de detonação híbrido.
[Imagem: Wen/Wang - 10.1016/j.cja.2024.05.016]

Motor de detonação ram-rotor

O novo conceito de propulsão detonativa, batizado Motor de Detonação Ram-Rotor, inspira-se nos projetos anteriores, mas deverá romper com as limitações de todos os modelos já estudados - o termo ram é de uso consagrado e se refere a um mecanismo de compressão do ar.

"A intenção original de desenvolver este novo motor é melhorar as estruturas dos motores de detonação rotativos," disse o professor Wen Haocheng. "Este conceito também é inspirado no compressor ram-rotor" - um compressor ram-rotor combina elementos de compressores centrífugos e motores de detonação rotativa.

O novo motor de detonação com rotor de impacto, abreviado como RRDE (Ram-Rotor Detonation Engine), consiste basicamente em um rotor giratório com pás e um invólucro estacionário. As pás do rotor são distribuídas de maneira helicoidal simétrica. A mistura de combustível sofre compressão, combustão de detonação e expansão dentro dos canais de seção transversal variável entre as pás.

As simulações computadorizadas mostraram que a onda de detonação se estabiliza e permanece estacionária dentro das pás, e que o ganho total de pressão do RRDE pode exceder 3.

Ciclos do motor ram-rotor.
[Imagem: Wen/Wang - 10.1016/j.cja.2024.05.016]

Vantagens e desafios

Os autores do projeto acreditam que o RRDE tem diversas vantagens, incluindo uma estrutura simples e compacta, alta eficiência e adaptabilidade a uma ampla faixa de números Mach de voo.

No entanto, eles também reconhecem que fabricar um protótipo do RRDE apresenta sérios desafios ainda a serem vencidos, como o mecanismo de estabilização da onda de detonação, a interferência supersônica da camada limite, implementação do rotor de alta velocidade, proteção térmica adequada etc.

"Nossa equipe está conduzindo pesquisas contínuas sobre questões científicas e de engenharia importantes para o RRDE," disse professor Wang Bing, acrescentando esperar que o RRDE possa fornecer propulsão de alto desempenho para os veículos supersônicos do futuro.

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