Pulsejet - Pulsejet

Diagrama de um pulsejet

Um motor a jato de pulso (ou jato de pulso ) é um tipo de motor a jato no qual a combustão ocorre em pulsos . Um motor pulsejet pode ser feito com poucas ou nenhuma peça móvel e é capaz de funcionar estaticamente (ou seja, não precisa de ar forçado para dentro de sua entrada, normalmente por movimento para frente).

Os motores Pulsejet são uma forma leve de propulsão a jato, mas geralmente têm uma taxa de compressão pobre e, portanto, fornecem um baixo impulso específico .

Existem dois tipos principais de motores a jato de pulso, os quais usam combustão ressonante e aproveitam os produtos de combustão em expansão para formar um jato de exaustão pulsante que produz empuxo intermitentemente. O primeiro é conhecido como injetor de pulso valvulado ou tradicional e possui um conjunto de válvulas unidirecionais por onde passa o ar que entra. Quando o ar-combustível é aceso, essas válvulas fecham, o que significa que os gases quentes só podem sair pelo tubo de escape do motor, criando um impulso para a frente. O segundo tipo de pulsejet é conhecido como o pulsejet sem válvula. Tecnicamente, o termo para este motor é o pulsejet do tipo acústico, ou pulsejet com válvula aerodinâmica.

Uma linha notável de pesquisa de motores a jato de pulso inclui o motor de detonação de pulso , que envolve detonações repetidas no motor e que pode potencialmente fornecer alta compressão e eficiência razoavelmente boa.

História

Ramon Casanova e o motor pulsejet que ele construiu e patenteou em 1917

O inventor russo e oficial de artilharia aposentado Nikolaj Afanasievich Teleshov patenteou um motor a vapor pulsejet em 1867, enquanto o inventor sueco Martin Wiberg também afirma ter inventado o primeiro pulsejet, na Suécia, mas os detalhes não são claros.

O primeiro pulsejet funcional foi patenteado em 1906 pelo engenheiro russo VV Karavodin, que completou um modelo funcional em 1907. O inventor francês Georges Marconnet patenteou seu motor pulsejet sem válvula em 1908, e Ramon Casanova, em Ripoll , Espanha , patenteou um pulsejet em Barcelona em 1917 , tendo construído um começando em 1913. Robert Goddard inventou um motor pulsejet em 1931 e o demonstrou em uma bicicleta a jato. O engenheiro Paul Schmidt foi o pioneiro em um projeto mais eficiente baseado na modificação das válvulas de admissão (ou flaps), ganhando o apoio governamental do Ministério da Aeronáutica da Alemanha em 1933.

Em 1909, Georges Marconnet desenvolveu o primeiro combustor pulsante sem válvulas. Foi o avô de todos os injetores de pulso sem válvula. O jato de pulso sem válvula foi experimentado pelo grupo francês de pesquisa de propulsão SNECMA (Société Nationale d'Étude et de Construction de Moteurs d'Aviation), no final dos anos 1940.

O primeiro uso generalizado do pulsejet sem válvula foi o drone holandês Aviolanda AT-21

Argus As 109-014

Motor Argus As 014 pulsejet de uma bomba voadora V-1 no Royal Air Force Museum de Londres

Em 1934, Georg Hans Madelung e Paul Schmidt, baseado em Munique, propuseram ao Ministério da Aeronáutica alemão uma "bomba voadora" movida pelo jato de pulso de Schmidt. Madelung co-inventou o pára-quedas de fita , um dispositivo usado para estabilizar o V-1 em seu mergulho final. O protótipo da bomba de Schmidt não atendeu às especificações do Ministério da Aeronáutica alemão, especialmente devido à baixa precisão, alcance e alto custo. O projeto original do Schmidt tinha o pulsejet colocado em uma fuselagem como um caça a jato moderno, ao contrário do eventual V-1, que tinha o motor colocado acima da ogiva e da fuselagem.

A Argus Company começou a trabalhar com base no trabalho de Schmidt. Outros fabricantes alemães trabalhando em jatos de pulso e bombas voadoras semelhantes foram The Askania Company , Robert Lusser de Fieseler , Dr. Fritz Gosslau de Argus e a empresa Siemens , que foram combinados para trabalhar no V-1.

Com Schmidt agora trabalhando para a Argus, o pulsejet foi aperfeiçoado e era oficialmente conhecido por sua designação RLM como Argus As 109-014. A primeira queda sem motor ocorreu em Peenemünde em 28 de outubro de 1942 e o primeiro vôo motorizado em 10 de dezembro de 1942.

O pulsejet foi avaliado como um excelente equilíbrio de custo e função: um design simples que funcionou bem com custo mínimo. Funcionaria com qualquer tipo de petróleo e o sistema do obturador de ignição não foi projetado para durar além da vida operacional normal de vôo do V-1 de uma hora. Embora gerasse empuxo insuficiente para a decolagem, o jato ressonante do V-1 poderia operar enquanto estava parado na rampa de lançamento. O design ressonante simples com base na proporção (8,7: 1) do diâmetro para o comprimento do tubo de escape funcionou para perpetuar o ciclo de combustão e atingiu frequência de ressonância estável a 43 ciclos por segundo . O motor produziu 2.200 N (490 lb _f ) de empuxo estático e aproximadamente 3.300 N (740 lb _f ) em vôo.

A ignição no As 014 foi fornecida por uma única vela de ignição automotiva, montada aproximadamente 75 cm (30 pol.) Atrás da matriz de válvula montada na frente. A faísca operou apenas para a sequência de partida do motor; o Argus As 014, como todos os jatos de pulso, não exigia bobinas de ignição ou magnetos para a ignição - a fonte de ignição sendo a cauda da bola de fogo anterior durante a corrida. A carcaça do motor não forneceu calor suficiente para causar a ignição do tipo diesel do combustível , pois há compressão insignificante dentro de um motor a jato de pulso.

O conjunto de válvulas Argus As 014 foi baseado em um sistema de obturador que operava na frequência de 43 a 45 ciclos por segundo do motor.

Três bicos de ar na frente do Argus As 014 foram conectados a uma fonte externa de alta pressão para dar partida no motor. O combustível utilizado para a ignição era o acetileno , sendo que os técnicos tinham que colocar um defletor de madeira ou papelão no escapamento para impedir a difusão do acetileno antes da completa ignição. Assim que o motor ligou e a temperatura mínima de operação foi atingida, mangueiras externas e conectores foram removidos.

O V-1, sendo um míssil de cruzeiro, não tinha trem de pouso; em vez disso, o Argus As 014 foi lançado em uma rampa inclinada movida por uma catapulta a vapor movida a pistão . A energia do vapor para disparar o pistão foi gerada pela violenta reação química exotérmica criada quando o peróxido de hidrogênio e o permanganato de potássio (denominado T-Stoff e Z-Stoff ) são combinados.

O principal uso militar do motor pulsejet, com a produção em volume da unidade Argus As 014 (o primeiro motor pulsejet em produção em volume), era para uso com a bomba voadora V-1 . O ruído de zumbido característico do motor rendeu-lhe os apelidos de "bomba de zumbido" ou "doodlebug". O V-1 foi um míssil de cruzeiro alemão usado na Segunda Guerra Mundial , mais famoso no bombardeio de Londres em 1944. Os motores Pulsejet, sendo baratos e fáceis de construir, eram a escolha óbvia para os projetistas do V-1, dado os alemães escassez de materiais e indústria sobrecarregada naquela fase da guerra. Os projetistas de mísseis de cruzeiro modernos não escolhem os motores a jato de pulso para propulsão, preferindo turbojatos ou motores de foguete . Os únicos outros usos do pulsejet que alcançou o estágio de hardware na Alemanha nazista foram o Messerschmitt Me 328 e um projeto experimental Einpersonenfluggerät para o Heer alemão .

O pessoal técnico do Wright Field fez a engenharia reversa do V-1 a partir dos restos de um que não detonou na Grã-Bretanha. O resultado foi a criação do JB-2 Loon , com fuselagem construída pela Republic Aviation , e da unidade de geração pulsejet de reprodução Argus As 014, conhecida pela denominação americana PJ31 , fabricada pela Ford Motor Company .

O General Hap Arnold das Forças Aéreas do Exército dos Estados Unidos estava preocupado que essa arma pudesse ser construída de aço e madeira, em 2.000 horas de trabalho e custo aproximado de US $ 600 (em 1943).

Projeto

Animação de um motor pulsejet

Os motores Pulsejet são caracterizados pela simplicidade, baixo custo de construção e altos níveis de ruído. Embora a relação empuxo-peso seja excelente, o consumo de combustível específico de empuxo é muito baixo. O pulsejet usa o ciclo de Lenoir , que, sem um driver compressivo externo como o pistão do ciclo Otto ou a turbina de compressão do ciclo Brayton , aciona a compressão com ressonância acústica em um tubo. Isso limita a razão máxima da pressão de pré-combustão em cerca de 1,2 a 1.

Os altos níveis de ruído geralmente os tornam impraticáveis para outras aplicações que não sejam militares e outras aplicações restritas semelhantes. No entanto, injetores de pulso são usados em grande escala como sistemas de secagem industrial, e tem havido um ressurgimento no estudo desses motores para aplicações como aquecimento de alto rendimento, conversão de biomassa e sistemas de energia alternativa, já que injetores de pulso podem funcionar em quase tudo que queima , incluindo combustíveis particulados, como serragem ou pó de carvão.

Os jatos de pulso têm sido usados para fornecer energia a helicópteros experimentais, os motores sendo presos às extremidades das pás do rotor. Ao fornecer energia aos rotores do helicóptero, os jatos de pulso têm a vantagem sobre os motores de turbina ou pistão de não produzir torque na fuselagem, uma vez que não aplicam força ao eixo, mas empurram as pontas. Um helicóptero pode então ser construído sem um rotor de cauda e sua transmissão e eixo de transmissão associados, simplificando a aeronave (o controle cíclico e coletivo do rotor principal ainda é necessário). Este conceito estava sendo considerado já em 1947, quando a American Helicopter Company começou a trabalhar em seu protótipo de helicóptero XA-5 Top Sergeant movido por motores a jato de pulso nas pontas do rotor. O XA-5 voou pela primeira vez em janeiro de 1949 e foi seguido pelo XA-6 Buck Private com o mesmo projeto pulsejet. Também em 1949, a Hiller Helicopters construiu e testou o Hiller Powerblade, o primeiro rotor de jato de pressão de ciclo quente do mundo. Hiller mudou para ramjets montados na ponta, mas a American Helicopter desenvolveu o XA-8 sob um contrato do Exército dos EUA. Ele voou pela primeira vez em 1952 e era conhecido como XH-26 Jet Jeep . Ele usava jatos de pulso XPJ49 montados nas pontas do rotor. O XH-26 cumpriu todos os seus principais objetivos de design, mas o Exército cancelou o projeto por causa do nível inaceitável de ruído das pulsejets e do fato de que o arrasto das pulsejets nas pontas do rotor tornava os pousos de autorrotação muito problemáticos. Propulsão de ponta de rotor foi reivindicada para reduzir o custo de produção de aeronaves de asas rotativas para 1/10 daquele para aeronaves convencionais de asas rotativas.

Os jatos de pulso também têm sido usados em aeronaves modelo de linha de controle e de controle remoto . O recorde de velocidade para aeronaves modelo com jato de pulso de linha de controle é superior a 200 milhas por hora (323 km / h).

A velocidade de um jato de pulso controlado por rádio de vôo livre é limitada pelo projeto de admissão do motor. A cerca de 450 km / h (280 mph), a maioria dos sistemas de válvulas dos motores com válvulas param de fechar totalmente devido à pressão de ar ram, o que resulta em perda de desempenho.

A geometria de admissão variável permite que o motor produza potência total na maioria das velocidades, otimizando para qualquer velocidade em que o ar entra no pulsejet. Projetos sem válvulas não são tão afetados negativamente pela pressão de ar ram como outros projetos, já que eles nunca tiveram a intenção de interromper o fluxo de entrada e podem aumentar significativamente a potência em velocidade.

Outra característica dos motores a jato de pulso é que seu empuxo pode ser aumentado por um duto com formato especial colocado atrás do motor. O duto atua como uma asa anular , que equilibra o impulso pulsante, aproveitando as forças aerodinâmicas na exaustão do pulsejet. O duto, normalmente chamado de aumentador, pode aumentar significativamente o impulso de um jato de pulso sem consumo adicional de combustível. São possíveis ganhos de 100% de aumento no empuxo, resultando em uma eficiência de combustível muito maior. No entanto, quanto maior o duto aumentador, mais arrasto ele produz e só é eficaz dentro de faixas de velocidade específicas.

Operação

Projetos valvulados

Esquema do Pulsejet. Primeira parte do ciclo: o ar flui pela entrada (1) e se mistura com o combustível (2). Segunda parte: a válvula (3) é fechada e a mistura ar-combustível inflamada (4) impulsiona a embarcação.

Os motores a jato de pulso valvulado usam uma válvula mecânica para controlar o fluxo de exaustão em expansão, forçando o gás quente a sair da parte de trás do motor apenas pelo tubo de escape e permitir que ar fresco e mais combustível entrem pela entrada como a inércia do a exaustão de escape cria um vácuo parcial por uma fração de segundo após cada detonação. Isso atrai ar e combustível adicionais entre os pulsos.

O pulsejet valvulado compreende uma entrada com um arranjo de válvula unidirecional. As válvulas evitam que o gás explosivo da mistura de combustível inflamado na câmara de combustão saia e interrompa o fluxo de ar de admissão, embora com todos os injetores de pulso valvulados práticos haja algum 'retorno' durante o funcionamento estático ou em baixa velocidade, pois as válvulas não podem fechar rápido o suficiente para evitar que algum gás saia pela entrada. Os gases de escape superaquecidos saem por um tubo de escape com ressonância acústica .

A válvula de admissão é normalmente uma válvula de palheta . As duas configurações mais comuns são a válvula margarida e a grade de válvula retangular. Uma válvula margarida consiste em uma folha fina de material que atua como uma palheta, cortada na forma de uma margarida estilizada com "pétalas" que se alargam em direção às suas extremidades. Cada "pétala" cobre um orifício de entrada circular em sua ponta. A válvula margarida é aparafusada ao coletor através de seu centro. Embora mais fácil de construir em pequena escala, é menos eficaz do que uma grade de válvula.

A frequência do ciclo depende principalmente do comprimento do motor. Para um motor tipo modelo pequeno, a frequência pode ser em torno de 250 pulsos por segundo, enquanto para um motor maior, como o usado na bomba voadora V-1 alemã , a frequência era mais próxima de 45 pulsos por segundo. O som de baixa frequência produzido resultou nos mísseis sendo apelidados de "bombas de zumbido".

Projetos Valveless

Os motores Valveless pulsejet não têm partes móveis e usam apenas sua geometria para controlar o fluxo de exaustão para fora do motor. Os jatos de pulso sem válvula expelem o escapamento tanto das entradas quanto do escapamento, mas a maior parte da força produzida sai pela seção transversal mais ampla do escapamento. A maior quantidade de massa que sai do escapamento mais largo tem mais inércia do que o fluxo inverso para fora da entrada, permitindo que ela produza um vácuo parcial por uma fração de segundo após cada detonação, revertendo o fluxo da entrada para sua direção adequada, e portanto, ingerindo mais ar e combustível. Isso acontece dezenas de vezes por segundo.

O pulsejet sem válvula opera no mesmo princípio que o pulsejet com válvula, mas a 'válvula' é a geometria do motor. O combustível, na forma de gás ou spray líquido atomizado , é misturado ao ar na entrada ou injetado diretamente na câmara de combustão . A partida do motor geralmente requer ar forçado e uma fonte de ignição, como uma vela de ignição, para a mistura ar-combustível. Com projetos modernos de motores fabricados, quase todos os projetos podem ser feitos para dar partida automaticamente, fornecendo ao motor combustível e uma faísca de ignição, dando partida no motor sem ar comprimido. Uma vez em funcionamento, o motor requer apenas a entrada de combustível para manter um ciclo de combustão autossustentável.

O ciclo de combustão compreende cinco ou seis fases, dependendo do motor: Indução, Compressão, (opcional) Injeção de Combustível, Ignição, Combustão e Escape.

Começando com a ignição dentro da câmara de combustão, uma alta pressão é aumentada pela combustão da mistura ar-combustível. O gás pressurizado da combustão não pode sair para a frente pela válvula de admissão unidirecional e, portanto, sai apenas para a parte traseira pelo tubo de exaustão.

A reação inercial desse fluxo de gás faz com que o motor forneça empuxo, essa força sendo usada para impulsionar uma célula ou uma pá do rotor. A inércia do gás de exaustão em movimento causa uma baixa pressão na câmara de combustão. Essa pressão é menor que a pressão de entrada (a montante da válvula unidirecional) e, portanto, a fase de indução do ciclo começa.

No mais simples dos motores a jato de pulso, essa entrada é por meio de um venturi , que faz com que o combustível seja retirado de um suprimento de combustível. Em motores mais complexos, o combustível pode ser injetado diretamente na câmara de combustão. Quando a fase de indução está em andamento, o combustível na forma atomizada é injetado na câmara de combustão para preencher o vácuo formado pela partida da bola de fogo anterior; o combustível atomizado tenta encher todo o tubo, incluindo o tubo de escape. Isso faz com que o combustível atomizado na parte traseira da câmara de combustão "pisque" quando entra em contato com os gases quentes da coluna anterior de gás - esse flash resultante "fecha" as válvulas de junco ou, no caso de projetos sem válvulas, interrompe o fluxo de combustível até que se forme um vácuo e o ciclo se repita.

Os injetores de pulso Valveless vêm em vários formatos e tamanhos, com designs diferentes sendo adequados para funções diferentes. Um motor sem válvula típico terá um ou mais tubos de admissão, uma seção de câmara de combustão e uma ou mais seções de tubos de escape.

O tubo de admissão aspira o ar e o mistura com o combustível para entrar em combustão, e também controla a expulsão dos gases de escape, como uma válvula, limitando o fluxo, mas não o interrompendo totalmente. Enquanto a mistura ar-combustível queima, a maior parte do gás em expansão é expulso do tubo de escapamento do motor. Como o (s) tubo (s) de admissão também expelem gás durante o ciclo de exaustão do motor, a maioria dos motores sem válvula tem as entradas voltadas para trás, de modo que o empuxo criado adiciona ao empuxo geral, em vez de reduzi-lo.

A combustão cria duas frentes de onda de pressão, uma descendo pelo tubo de exaustão mais longo e outra descendo pelo tubo de admissão curto. Ao "ajustar" adequadamente o sistema (projetando as dimensões do motor de maneira adequada), um processo de combustão ressonante pode ser alcançado.

Enquanto alguns motores sem válvula são conhecidos por serem extremamente famintos por combustível, outros projetos usam significativamente menos combustível do que um jato de pulso com válvula, e um sistema corretamente projetado com componentes e técnicas avançadas pode rivalizar ou exceder a eficiência de combustível de pequenos motores turbojato.

Um motor sem válvulas adequadamente projetado se sobressairá em vôo, pois não tem válvulas, e a pressão de ar do deslocamento em alta velocidade não faz com que o motor pare de funcionar como um motor com válvulas. Eles podem atingir velocidades máximas mais altas, com alguns projetos avançados sendo capazes de operar a Mach 0,7 ou possivelmente mais.

A vantagem do pulsejet do tipo acústico é a simplicidade. Como não há peças móveis para se desgastar, elas são mais fáceis de manter e mais simples de construir.

Usos futuros

Os jatos de pulso são usados hoje em aeronaves drones alvo, aeronaves modelo de linha de controle de vôo (bem como aeronaves controladas por rádio), geradores de névoa e equipamentos industriais de secagem e aquecimento doméstico. Como os jatos de pulso são uma maneira eficiente e simples de converter combustível em calor, os pesquisadores estão usando-os para novas aplicações industriais, como conversão de combustível de biomassa e sistemas de caldeira e aquecedor.

Alguns experimentadores continuam trabalhando em designs aprimorados. Os motores são difíceis de integrar em projetos de aeronaves tripuladas comerciais por causa do ruído e da vibração, embora sejam excelentes em veículos não tripulados de menor escala.

O motor de detonação de pulso (PDE) marca uma nova abordagem para motores a jato não contínuos e promete maior eficiência de combustível em comparação com motores a jato turbofan , pelo menos em velocidades muito altas. A Pratt & Whitney e a General Electric agora têm programas de pesquisa PDE ativos. A maioria dos programas de pesquisa PDE usa motores pulsejet para testar ideias no início da fase de design.

A Boeing tem uma tecnologia de motor pulsejet proprietária chamada Pulse Ejector Thrust Augmentor (PETA), que propõe o uso de motores pulsejet para elevação vertical em aeronaves militares e comerciais VTOL .

Veja também

Referências

Leitura adicional

Revisão de Engenharia Aeronáutica , Instituto de Ciências Aeronáuticas (EUA): 1948, vol. 7
George Mindling, Robert Bolton: US Airforce Tactical Missiles: 1949–1969: The Pioneers , Lulu.com, 200: ISBN 0-557-00029-7 . pp6-31

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