Motor a jato: teste o empuxo e acompanhe o ar

O que o modelo mostra

O turbofan de um avião comercial obtém a maior parte do empuxo do grande ventilador, que empurra o ar ao redor do núcleo quente. O núcleo queima combustível e aciona turbinas, que giram o ventilador por meio de um eixo. Outros tipos de motor a jato dividem a potência de maneira diferente entre o escape, os ventiladores e as hélices.

Quem fica atrás de um avião comercial na decolagem tem a impressão de que os motores lançam fogo. A maior parte do que atinge você é ar frio. Em um motor moderno de avião comercial, apenas cerca de um quilograma de ar em cada onze passa pela chama, e o grande ventilador na frente empurra o restante diretamente para trás, ao redor do núcleo quente. O motor de um caça faz quase o contrário, o motor de um helicóptero mal produz um jato e um estatorreator não tem peças móveis. Esta exposição reúne sete deles no mesmo suporte, para que você veja como cada um reparte o mesmo trabalho.

Cada modelo é cortado ao meio, ao longo do eixo. A metade que estaria voltada para você foi retirada, e as faces vermelhas são os pontos em que o corte foi feito. O primeiro que você vê é um turbofan de dois eixos e alta derivação, cuja configuração segue o número de estágios que a GE Aerospace publica para o GE9X: um estágio de ventilador, um booster de três estágios, um compressor de alta pressão de onze estágios, dois estágios de turbina de alta pressão e seis estágios de turbina de baixa pressão. O seletor Tipo de motor, ou a lista em Controles, troca-o por um turbojato, um motor de caça de baixa derivação com pós-combustão, um turbofan com redutor, um turboélice, um turboeixo e um estatorreator que se torna estatorreator supersônico acima de Mach 5.

Os tamanhos, as vazões de ar e as temperaturas são valores de modelo, escolhidos para serem típicos de cada tipo. Não são dados de desempenho de nenhum fabricante. Quando a exposição cita um motor real, o número vem da ficha de dados do certificado de tipo, o documento que uma autoridade de aviação emite ao aprovar o motor, ou da própria página do fabricante, e a fonte é indicada ao lado.

Os pontos são ar. Os pontos azuis são frios e passam a roxo, laranja e vermelho à medida que o ar é comprimido e queimado. O pequeno painel mostra o empuxo (ou a potência no eixo), o combustível queimado, o combustível por unidade de empuxo e as rotações dos eixos. "Mais" abre a vazão de ar, as velocidades do jato, o ar externo e um gráfico de pressão e temperatura, fileira por fileira, ao longo do núcleo. Abaixo dos controles há um laboratório: os sete motores, uma sequência de partida, seis desafios para experimentar, a equação do empuxo com valores em tempo real, dois gráficos, uma comparação lado a lado e uma lista de 45 motores reais, marcos e ensaios de certificação.

Por que a maior parte do ar contorna o núcleo

Todo motor que empurra uma aeronave para a frente faz isso lançando ar para trás. A força depende de quanto ar ele lança a cada segundo e de quanto mais rápido esse ar sai do que entrou. Há duas maneiras de obter a mesma força: lançar uma pequena quantidade de ar muito rápido, ou uma grande quantidade de ar um pouco mais rápido.

A segunda maneira desperdiça muito menos energia. A energia cinética que sobra no jato cresce com o quadrado da velocidade, enquanto o empuxo cresce apenas em proporção a ela. Um jato lento e largo deixa menos energia no ar para o mesmo empuxo.

O turbofan faz isso dividindo o fluxo de ar. A parte interna, o núcleo, é uma turbina a gás completa, com compressor, câmara de combustão e turbinas. Ela queima combustível e produz potência. A maior parte dessa potência não é usada para produzir um jato rápido. Uma segunda turbina a extrai do gás quente e a usa para girar o ventilador, que dá um empuxo suave a uma massa de ar muito maior. O Glenn Research Center da NASA define a razão de derivação como o ar que flui ao redor do núcleo dividido pelo ar que flui por dentro dele. No modelo, o núcleo recebe 120 kg de ar por segundo e, com razão de derivação 10, o ventilador envia 1200 kg por segundo ao redor dele.

Pressão e temperatura por fileira

O núcleo funciona segundo o ciclo de Brayton, o mesmo ciclo de toda turbina a gás. O ar é comprimido, aquecido a pressão aproximadamente constante e depois expandido. O gráfico em "Mais" acompanha o ar por cada fileira de pás.

1. Compressão. Depois do ventilador, os três estágios do booster elevam a pressão do núcleo em 1,9 vez. Os onze estágios de alta pressão a multiplicam então por 22, cerca de 1,32 vez por estágio. A razão de pressão global no modelo é 41,8, de modo que o ar que entrou a 1 bar sai do compressor a 42 bar. Comprimi-lo também o aquece: ele sai a 927 K (cerca de 650 °C) antes de receber qualquer combustível.
2. Combustão. Os injetores pulverizam querosene em uma câmara em forma de anel. O gás se aquece até 1700 K, enquanto sua pressão cai apenas cerca de 5 por cento. No gráfico, esta é a faixa estreita em que a linha da temperatura salta e a linha da pressão permanece quase plana.
3. Expansão. O gás quente se expande então pelas turbinas. Cada fileira de turbina retira um pouco de trabalho do gás, e sua pressão e sua temperatura caem fileira por fileira. A pressão que sobra no final empurra o gás para fora pelo bocal.

Mova a manete e o gráfico inteiro se move. Com a manete no máximo, o compressor chega a 42 bar e a entrada da turbina a 1700 K. Com meia manete, os dois picos são menores, e o painel mostra cerca de metade do ar, 1,30 kg/s de combustível e 155 kN de empuxo.

Os controles Razão de pressão e Temperatura na entrada da turbina alteram os dois números que decidem quão bom um núcleo pode ser. Um ciclo de Brayton ideal com razão de pressão 41,8 converteria 65,6 por cento do calor do combustível em energia do jato (η = 1 − 1/r^0,286). Com as perdas dos compressores e das turbinas do modelo, o valor é de 39,6 por cento com a manete no máximo, no solo. Uma temperatura de turbina mais alta permite que o mesmo núcleo produza mais potência a partir de cada quilograma de ar, e é por isso que tanto do custo do motor vai para as pás da turbina.

Dois eixos a duas velocidades

Um ventilador funciona melhor em uma velocidade relativamente baixa. Suas pontas estão muito longe do eixo e, se se movem rápido demais, as ondas de choque nas pás desperdiçam energia e fazem barulho. As pequenas pás do compressor no núcleo precisam do oposto, uma velocidade alta. Um único eixo não serve para os dois.

Por isso um turbofan tem dois eixos, um dentro do outro. O eixo de baixa pressão vai da turbina de baixa pressão de seis estágios, na traseira, até o ventilador e o booster, na frente. Ao redor dele, o eixo oco de alta pressão liga os dois estágios da turbina de alta pressão ao compressor de alta pressão. A página da NASA sobre o turbofan o descreve da mesma forma: o eixo do ventilador passa por dentro do eixo do núcleo, uma disposição chamada de motor de dois conjuntos rotativos.

No modelo, o eixo de baixa pressão gira a até 2500 rpm e o de alta pressão a até 11.000 rpm. A GE Aerospace indica 2510 rpm e 11.119 rpm para o GE9X. Na tela os dois giram bem devagar, mas a proporção entre eles é mantida.

Mesmo a 2500 rpm, as pontas do ventilador se movem depressa. Com um raio de ventilador de 1,61 m, a velocidade da ponta é 2π × 1,61 × 2500 / 60 = 422 m/s, cerca de 1,24 vez a velocidade do som ao nível do mar. Um ventilador de 134 polegadas a 2510 rpm dá 447 m/s pela mesma conta.

A equação do empuxo

Para uma corrente de ar, o empuxo é

F = ṁ (v_e − v_0)

em que ṁ é a massa de ar por segundo, v_e é a velocidade do jato que sai do bocal e v_0 é a velocidade do ar que chega (a velocidade de voo). A página da NASA sobre o empuxo acrescenta um termo de pressão para um bocal que não expande o gás por completo. Os bocais do modelo o expandem por completo, de modo que esse termo é zero.

Um turbofan tem duas correntes, então o laboratório soma dois termos. A corrente do núcleo também leva o combustível, e por isso é multiplicada por (1 + f), em que f é a razão combustível/ar. Com o motor parado, manete no máximo e razão de derivação 10:

• Núcleo: 120 kg/s × (1,025 × 331 m/s − 0) = 40,7 kN
• Derivação: 1200 kg/s × (272 m/s − 0) = 326,6 kN
• Total: 367,3 kN

O jato do núcleo é o mais rápido dos dois, mas a corrente de derivação leva dez vezes mais ar e fornece 89 por cento do empuxo. A vazão de combustível é 3,01 kg/s, cerca de 10,8 toneladas por hora na potência máxima. Dividir a vazão de combustível pelo empuxo dá o consumo específico de combustível por empuxo, a TSFC, o número que os engenheiros usam para comparar motores: 3,01 kg/s ÷ 367,3 kN = 8,2 g de combustível por quilonewton por segundo.

Para comparação, o Rolls-Royce Trent 1000-C do Boeing 787 é certificado para 331,4 kN de empuxo de decolagem, e o GE90-115B para 513,95 kN. O primeiro desafio do laboratório pede que você ajuste o modelo para o valor do Trent com a manete.

Derivação, empuxo e combustível

O controle de derivação mantém o núcleo exatamente igual (mesma vazão de ar, mesmas pressões, mesmo combustível) e altera apenas quanto ar o ventilador movimenta. Para cada ajuste, o modelo escolhe a razão de pressão do ventilador que dá o maior empuxo. O ventilador e a nacele crescem à medida que a razão aumenta, porque mais ar exige uma face de ventilador maior.

O mesmo núcleo construído como um turbojato simples produz 122 kN com o mesmo combustível, um terço do empuxo do turbofan. O segundo gráfico do laboratório traça a curva inteira e marca o ajuste atual.

Em voo o quadro muda, e o controle de velocidade de voo mostra como. O motor precisa primeiro acelerar o ar que chega até a própria velocidade antes de poder empurrar, de modo que cada quilograma de ar custa v_0 de empuxo. A Mach 0,8 ao nível do mar (272 m/s), o turbofan produz 200,9 kN e o mesmo núcleo como turbojato, 126,3 kN. O turbofan ainda precisa de muito menos combustível para cada newton: 19,0 contra 30,5 g/kN·s. O motivo é a eficiência propulsiva, aproximadamente 2 / (1 + v_e / v_0). Um jato apenas um pouco mais rápido que a aeronave desperdiça pouca energia, e o modelo dá 83,5 por cento para o turbofan contra 43,6 por cento para o turbojato.

Por que não uma razão de derivação de 30? Cada passo adicional traz menos ganho, pois a curva se achata. O ventilador fica mais pesado, a nacele fica maior e com mais arrasto, e o motor precisa caber sob a asa. O modelo deixa de fora o peso e o arrasto, por isso sua curva continua subindo. As razões publicadas para os grandes motores atuais ficam em torno de 10 a 12: a GE indica cerca de 10:1 para o GE9X, e a Pratt & Whitney até 12:1 para o seu ventilador com redutor.

Por que o empuxo cai em altitude

Os aviões comerciais cruzam entre 10 e 12 km, onde o ar é rarefeito. O modelo usa a Atmosfera Padrão Internacional: a temperatura cai 6,5 K a cada quilômetro até 11 km e depois permanece em 216,65 K (−56,5 °C) até 20 km. A 11 km, a pressão é de 22,6 kPa e a densidade de 0,364 kg/m³, 29,7 por cento do valor ao nível do mar.

Um motor movimenta a cada segundo um volume de ar que depende do seu tamanho e da sua velocidade, de modo que a massa de ar que ele processa cai aproximadamente com a densidade. O modelo segue a regra que os projetistas de motores usam: com a mesma rotação do eixo, a vazão escala com a pressão de entrada dividida pela raiz quadrada da temperatura de entrada. Suba do nível do mar a 11 km a Mach 0,8 e a vazão de ar cai de 1895 kg/s para 488 kg/s. O empuxo cai de 200,9 kN para 79,5 kN, ou seja, 39,6 por cento do valor ao nível do mar.

Isso é um pouco melhor que a razão de densidade, porque o ar frio é mais fácil de comprimir: o mesmo compressor alcança uma razão de temperatura maior na turbina, e a eficiência térmica sobe de 40 para 46,5 por cento. O combustível por empuxo também melhora, de 19,0 para 15,9 g/kN·s. É por isso que os aviões comerciais sobem tão alto quanto o peso permite. O gráfico de altitude do laboratório traça o empuxo e a densidade do ar lado a lado, e o quarto desafio pede que você explique a queda.

Sete tipos de motor a jato

Todos os sete são turbinas a gás, exceto o último, e todos funcionam com a mesma ideia: comprimir o ar, aquecê-lo e deixá-lo sair mais rápido do que entrou. Diferem no que fazem com a energia que resta depois que o núcleo acionou o próprio compressor.

Turbojato

Os primeiros motores a jato faziam todo o ar passar pela chama. O motor de bancada de Frank Whittle funcionou pela primeira vez em 12 de abril de 1937. O W.1X do Smithsonian, o motor usado nos ensaios de taxiamento do Gloster E.28/39, tinha um compressor centrífugo de dupla entrada e um estágio, dez câmaras de combustão de fluxo reverso e uma turbina axial de um estágio, e produzia 5516 N a 17.750 rpm com 254 kg de motor. O motor de Hans von Ohain voou primeiro, no Heinkel He 178, em 27 de agosto de 1939. Os dois usaram compressores centrífugos, que lançam o ar para fora com um rotor, de modo muito parecido com um aspirador de pó.

O modelo desenha essa configuração: um rotor, dez câmaras retas em forma de lata dispostas em anel, uma turbina de um estágio e um tubo de jato. Sua razão de pressão padrão é 4 e a temperatura na entrada da turbina é de 1050 K, perto do que os materiais da época suportavam. Parado, ele produz 12,7 kN com 22 kg de ar por segundo e queima 31,5 g de combustível por kN a cada segundo, quase quatro vezes o do turbofan de alta derivação. Aumente a razão de pressão e a temperatura da turbina e a mesma configuração se torna um motor supersônico: o J58 da Pratt & Whitney, que movia o SR-71, era um turbojato com pós-combustão, com compressor axial de oito estágios e turbina de dois estágios, classificado pelo Smithsonian em 133,44 kN.

Turbofan de baixa derivação com pós-combustão

Um caça precisa de um motor estreito que produza um jato rápido, porque voa depressa. O motor de caça do modelo tem um ventilador de três estágios, um pouco de ar de derivação (0,4 kg ao redor do núcleo para cada kg que passa por dentro dele), um compressor de nove estágios, um estágio de turbina de alta pressão e dois de baixa pressão, e um longo tubo de jato. O ar de derivação se junta à corrente do núcleo em um misturador atrás da turbina.

O tubo de jato é onde fica a pós-combustão: anéis de pulverização de combustível e estabilizadores de chama em forma de V, que mantêm uma chama acesa em um gás que se move depressa. Ative "Pós-combustão" e o modelo volta a queimar combustível, a cerca de 2050 K, atrás da turbina. Ao nível do mar, o empuxo sobe de 90,5 kN para 112,9 kN e o combustível de 2,27 kg/s para 5,21 kg/s, ou seja, 2,3 vezes mais combustível para um quarto a mais de empuxo. A 11 km e Mach 1,6 o ganho é maior, 1,7 vez o empuxo por 2,5 vezes o combustível. Queimar a baixa pressão atrás da turbina extrai menos trabalho de cada quilograma de combustível, por isso os pilotos a usam na decolagem, na subida e em combate, e o bocal precisa se abrir mais para deixar sair o volume maior e mais quente de gás. O Olympus 593 do Concorde foi o único turbojato com pós-combustão em serviço comercial; o Museum of Flight observa que ela era acesa na decolagem.

Turbofan de alta derivação

É o motor descrito acima, e o que equipa a maioria dos aviões comerciais. O controle de derivação vai de 4 a 12 para ele, a velocidade de voo chega a Mach 0,9 e a altitude a 15 km.

Turbofan com redutor

O ventilador quer girar devagar, a turbina de baixa pressão depressa. Em um turbofan de acionamento direto, os dois dividem um eixo, de modo que a turbina precisa de muitos estágios para fazer seu trabalho em baixa rotação. O GTF da Pratt & Whitney coloca uma caixa de engrenagens entre eles. A empresa indica uma relação de redução de 3:1, ventiladores de até 81 polegadas de diâmetro, uma razão de derivação de até 12:1 e uma rotação do ventilador 40 por cento menor, com três estágios de compressor de baixa pressão, oito de alta pressão, dois estágios de turbina de alta pressão e três de turbina de baixa pressão.

O modelo desenha uma engrenagem solar no eixo rápido, cinco planetárias em um porta-satélites e uma coroa que aciona o ventilador. Na tela, o booster e a turbina de baixa pressão giram cerca de três vezes mais rápido que o ventilador. O núcleo deste modelo é menor (25 kg/s) e o ventilador relativamente maior; ao nível do mar, parado, ele produz 86,2 kN com 0,67 kg/s de combustível, 7,8 g/kN·s. O PW1133G-JM, um ventilador com redutor de produção, é certificado para 147,28 kN.

Turboélice

Tire o ventilador de dentro do duto, torne-o muito maior e mais lento, e você tem uma hélice. O núcleo de um turboélice aciona uma turbina de potência livre em seu próprio eixo, e esse eixo segue para a frente pelo meio do motor até uma caixa de redução, porque uma hélice precisa girar muito mais devagar que uma turbina pequena. O certificado de tipo da série PT6A-100 lista exatamente essa cadeia: uma caixa de redução de dois estágios, uma turbina de potência de um estágio, uma turbina do compressor de um estágio e um compressor de quatro estágios, três axiais e um centrífugo.

O modelo tem dois compressores centrífugos, uma câmara de combustão, duas turbinas do gerador de gás, uma turbina de potência de dois estágios e uma hélice de seis pás com 3,93 m de diâmetro. Parado, ele entrega 2709 kW à hélice. Uma hélice é classificada por potência, não por empuxo, então o painel mostra os dois: 42,8 kN da hélice (pela teoria da quantidade de movimento, com um fator de mérito de 0,6) e 1,9 kN do escape. O combustível por unidade de potência é de 255 g/kWh. O PW127M do ATR 72 é certificado para 2051 kW de potência máxima de decolagem. Os turboélices rendem melhor abaixo de cerca de 600 km/h; acima disso, as pontas da hélice se aproximam da velocidade do som.

Turboeixo

Um turboeixo é um turboélice sem a hélice: a turbina de potência envia quase tudo pelo eixo de saída, e o jato que sobra é pouco mais que uma brisa. O modelo segue a configuração que o certificado de tipo indica para o GE CT7: um compressor de cinco estágios axiais e um centrífugo, uma câmara de combustão anular, uma turbina do gerador de gás de dois estágios e uma turbina de potência livre de dois estágios, cujo eixo segue para a frente pelo motor, e uma entrada com palhetas de turbilhão que lançam a areia para fora antes que ela chegue ao compressor. Ele entrega 1740 kW ao nível do mar, e o jato residual produz apenas 0,6 kN.

Valores reais dos certificados de tipo: o Safran Arriel 2D do helicóptero H125 dá 598 kW na decolagem, e o GE CT7-8A do S-92 dá 1879 kW (2520 shp), com o eixo de saída a 21.945 rpm. A transmissão principal do helicóptero reduz isso para uma rotação do rotor de algumas centenas de rpm.

Estatorreator e combustão supersônica

Acima de cerca de Mach 3, o ar que chega ao motor já é suficientemente comprimido pela própria velocidade. Um estatorreator elimina por completo o compressor e a turbina. Um cone na entrada cria ondas de choque que desaceleram o ar abaixo da velocidade do som e elevam sua pressão; o combustível é injetado, estabilizadores de chama o mantêm aceso e um bocal acelera o gás quente para fora. A NASA indica a faixa de funcionamento do estatorreator como de cerca de Mach 3 a Mach 6.

Um estatorreator não produz empuxo parado, e o modelo mostra isso: abaixo de Mach 0,3 ele não pode funcionar, e o botão de partida explica que um foguete ou outro motor precisa empurrá-lo primeiro. A Mach 3 e 18 km, a entrada do modelo mantém 81 por cento da pressão total, o jato sai a 1636 m/s e o impulso específico é de 1695 s, muito melhor que as poucas centenas de segundos de um foguete, porque o oxigênio vem do ar.

Acima de Mach 5, desacelerar o ar até a velocidade subsônica o aqueceria tanto que o combustível quase não poderia lhe acrescentar mais energia. Um estatorreator supersônico (ramjet de combustão supersônica) mantém o ar supersônico o tempo todo e queima nele hidrogênio em poucos milésimos de segundo. A Mach 7, o ar que chega ao modelo tem uma temperatura de estagnação de 2426 K antes de qualquer queima de combustível. O X-43A da NASA voou com hidrogênio a Mach 6,8 em 27 de março de 2004 e a Mach 9,6 em 16 de novembro de 2004, lançado de um B-52 e impulsionado por um foguete Pegasus. A NASA observa que nenhum ensaio em voo foi mais rápido com um motor que respira ar.

Dentro da pá mais quente

Pressione "Detalhe da pá" e o palco mostra isolada uma pá da turbina de alta pressão. Ela fica em um gás mais quente que o ponto de fusão do metal de que é feita, de modo que três artifícios a mantêm viva.

1. Um cristal. As peças fundidas comuns são feitas de muitos grãos, e as fronteiras entre os grãos são os pontos fracos em que começam as trincas e por onde a oxidação avança. Um relatório da NASA explica que as superligas monocristalinas de níquel foram desenvolvidas para eliminar essas fronteiras, o que também permite à liga dispensar os reforçadores de fronteira de grão que reduzem seu ponto de fusão. Uma revisão anterior da NASA sobre o trabalho do Lewis Research Center indicou um ganho de cerca de 75 °C de temperatura de trabalho a mais em relação a uma pá fundida de modo convencional.
2. Resfriamento por dentro. A pá é oca. O ar tirado do compressor, ainda várias centenas de graus mais frio que o gás externo, flui por canais sinuosos e sai por fileiras de minúsculos furos na superfície, onde forma um filme fino que mantém o gás quente longe do metal. O modelo mostra quatro fileiras de furos e três canais internos.
3. Um revestimento cerâmico. Uma camada fina de zircônia estabilizada com ítria assenta sobre uma camada metálica de ligação. A história das barreiras térmicas da NASA atribui esse sistema de zircônia e ítria ao seu próprio trabalho e observa que, em 1989, esses revestimentos já eram usados em pás de turbina em serviço comercial. O bloco de camadas ao lado da pá mostra as três camadas com suas espessuras exageradas.

A raiz é cortada em forma de árvore de Natal para que a tração da pá, de muitas toneladas em plena rotação, se reparta por vários dentes do disco. O certificado de tipo do PW1100G-JM dá uma ideia dos limites: 1083 °C de temperatura indicada da turbina por cinco minutos na decolagem e 1043 °C em regime contínuo. Isso é medido depois dos primeiros estágios da turbina; o gás nas primeiras pás é bem mais quente.

Empuxo reverso

Depois do toque na pista, um avião comercial usa seus freios, seus spoilers e, em alta velocidade, o empuxo reverso. Em um motor de alta derivação, o reversor atua sobre a corrente do ventilador. A parte traseira da nacele recua e abre um anel de palhetas em cascata; portas de bloqueio se dobram dentro do duto de derivação e desviam o ar do ventilador para fora pelas cascatas, para a frente. Ative "Empuxo reverso" para ver a luva se mover e os pontos de ar do ventilador inverterem o sentido. O jato do núcleo continua apontando para trás, de modo que a força reversa líquida é apenas uma parte do empuxo para a frente: com 70 por cento da manete, o modelo dá 76,9 kN de força reversa.

O certificado de tipo do Trent XWB diz que o empuxo reverso máximo não deve ser usado abaixo de 60 nós, quando se deve selecionar o reverso em marcha lenta, e que o reverso deve ser totalmente desselecionado abaixo de 40 nós. Em baixa velocidade, o ar revertido pode ser engolido de novo pela entrada, junto com detritos da pista. O desafio de pouso do laboratório usa essa regra: um avião comercial de 200 toneladas que toca a pista a 140 nós, molhada (frenagem de 0,15 g), precisa de 1765 m apenas com freios. Com os dois motores em reverso a 70 por cento da manete até 60 nós, o modelo para em 1091 m.

O modelo do turbojato usa o reversor mais antigo, do tipo concha: duas conchas se fecham atrás do bocal e invertem o jato inteiro. No turboélice, as pás da hélice giram além do passo plano, de modo que empurram o ar para a frente.

Partida

Um motor a jato não consegue dar partida sozinho, porque seu compressor precisa estar girando antes de poder fornecer o ar para o fogo que o aciona. O manual de motores da FAA descreve o arranjo usual nos aviões comerciais: um motor de partida pneumático na caixa de acessórios, acionado por ar comprimido da unidade auxiliar de potência (APU) na cauda, de um carrinho de solo ou de um motor que já esteja funcionando.

Pressione "Partida" no laboratório e o modelo passa por cinco etapas. Chega o ar sangrado; o motor de partida gira o conjunto de alta pressão; a cerca de 20 por cento de N2 o combustível se abre e os acendedores produzem faíscas; a chama pega e a temperatura do escape dispara (o acendimento); o motor de partida se desliga e o motor acelera até a marcha lenta por conta própria, a cerca de 60 por cento de N2. As porcentagens são valores do modelo, próximos dos que os pilotos veem em muitos motores. A tripulação vigia de perto a temperatura do escape nesse período, pois uma partida com pouca vazão de ar pode superaquecer a turbina.

Aves, gelo, granizo e perda de pá

Antes que um tipo de motor possa voar com passageiros, ele precisa passar por ensaios definidos na Parte 33 dos regulamentos federais de aviação dos Estados Unidos; o CS-E da EASA define ensaios equivalentes.

• Aves (14 CFR 33.76). O motor funciona em plena potência de decolagem e engole uma ave grande a 200 nós, dirigida ao ponto mais crítico das pás do primeiro estágio. O peso da ave depende da área da garganta da entrada: 1,85 kg abaixo de 1,35 m², 2,75 kg até 3,90 m² e 3,65 kg acima disso. A alavanca de potência não pode ser movida por 15 segundos depois. Outros ensaios usam bandos de aves pequenas e médias. O ventilador do modelo, com 3,2 m de diâmetro, tem uma área de face de 8,2 m², portanto cai na faixa de 3,65 kg, que o desafio das aves pede que você calcule.
• Gelo (14 CFR 33.77). O gelo lançado dentro do motor não pode causar perda duradoura de empuxo nem fazer o motor se desligar.
• Chuva e granizo (14 CFR 33.78). Pedras de granizo de 25 mm e 50 mm são disparadas contra o motor na maior velocidade aerodinâmica até 4500 m, uma de cada para cada 150 polegadas quadradas de entrada, metade delas dirigida à parte mais crítica da entrada.
• Perda de uma pá (14 CFR 33.94). Na maior rotação permitida, uma pá do ventilador e, em um segundo ensaio, uma pá de turbina é solta pela raiz. A carcaça deve conter os pedaços, sem fogo e sem falha dos suportes do motor, por pelo menos 15 segundos.

A GE Aerospace diz que o GE9X passou por mais de 31.000 ciclos de ensaio, com mais de 9000 ciclos de resistência e 2300 ciclos de ingestão de poeira, e mostra ensaios de gelo em sua unidade de Peebles, em Ohio.

Motores na comparação

A lista do laboratório tem 45 entradas. Os motores com valores certificados, das fichas de dados de certificado de tipo da EASA:

"Ver" em qualquer um deles ajusta o modelo ao tipo desse motor e escala sua vazão de ar para que o empuxo (ou a potência no eixo) do modelo ao nível do mar iguale a classificação certificada. A partir daí, os controles de manete, altitude e velocidade mostram o que o modelo prevê para o resto do voo. As massas são as que cada ficha de dados indica, portanto nem todas incluem o mesmo equipamento.

Diferenças de um motor real

• O ciclo é um cálculo didático unidimensional, com eficiências fixas dos componentes e propriedades constantes do gás. Os motores reais são projetados com códigos detalhados de desempenho.
• A lei da manete (como a pressão, a vazão de ar e a temperatura caem quando você reduz a potência) é um modelo simples. O ajuste mais baixo da manete ainda fica bem acima de uma marcha lenta real no solo.
• As pás de turbina dos motores reais são resfriadas com ar tirado do compressor, e parte do ar é sangrada para a cabine. O ciclo ignora as duas coisas.
• O peso do ventilador, o arrasto da nacele e as perdas da instalação do motor na asa ficam de fora, e é por isso que a curva de derivação do modelo continua subindo.
• A hélice e o rotor usam a teoria da quantidade de movimento, que dá uma boa ideia do empuxo estático e da sustentação, mas não de suas curvas reais de projeto.
• As perdas na entrada do estatorreator seguem uma curva padrão e a câmara de combustão do estatorreator supersônico é um único número; as entradas hipersônicas reais são projetadas para uma só velocidade.
• Cada motor é desenhado aproximadamente no mesmo tamanho no suporte. Na vida real, um turboeixo é muito menor que o ventilador de um avião comercial.
• Os pontos de ar no núcleo são desenhados mais densos que os da derivação, para que o fluxo do núcleo continue visível.

Dos primeiros jatos aos ventiladores gigantes

Whittle patenteou o motor a jato em 1932, e sua patente GB 471,368 britânica, depositada pela primeira vez em 4 de março de 1936, já descrevia o princípio de um motor com derivação. Seu Whittle Unit funcionou pela primeira vez em 12 de abril de 1937. Na Alemanha, o motor de von Ohain voou no Heinkel He 178 em 27 de agosto de 1939. O Gloster E.28/39 com o W.1 de Whittle fez seu primeiro voo oficial em 15 de maio de 1941, e o W.1X e os desenhos do W.2B foram para a General Electric naquele outubro. A versão da GE, o I-A, levou ao ar a primeira aeronave a jato americana, o Bell XP-59A, em 2 de outubro de 1942.

O primeiro turbofan de série, o Rolls-Royce Conway, tinha uma razão de derivação de apenas 0,3. O salto veio no fim dos anos 1960, quando a General Electric construiu o TF39, o primeiro turbofan de alta derivação, com razão de derivação 8, para o Lockheed C-5 Galaxy. O JT9D da Pratt & Whitney, que funcionou pela primeira vez em 1966, moveu o Boeing 747 em seu primeiro voo, em 9 de fevereiro de 1969, e foi o primeiro dos motores de alta derivação muito grandes em serviço comercial. Seu rival civil da GE, o CF6, seguiu no DC-10 em 1971.

No extremo da velocidade, dois J58 com pós-combustão moviam cada SR-71, e os quatro Olympus 593 do Concorde, de 38.050 lb cada, levaram passageiros a uma velocidade de cruzeiro de 1354 milhas por hora até o último voo da British Airways, em 24 de outubro de 2003.

Desde então os ventiladores continuaram crescendo. A GE diz que o GE90 foi o primeiro motor com pás de ventilador de compósito. O GE9X, certificado pela FAA em setembro de 2020, tem 16 pás de compósito, uma razão de derivação de cerca de 10, uma razão de pressão global de 60 e 10 por cento menos combustível por empuxo que o GE90-115B. O turbofan com redutor da Pratt & Whitney entrou em serviço em 2016; a MTU, que fabrica parte dele, lista o PW1100G-JM para a família Airbus A320neo. E em 2004 o X-43A da NASA mostrou que um estatorreator supersônico pode voar a Mach 9,6.