A Marinha dos EUA planeja atualizar as usinas de turbinas a gás atualmente instaladas em suas aeronaves e navios no futuro, substituindo os motores convencionais de ciclo de Brighton por motores rotativos de detonação. Devido a isso, espera-se que a economia de combustível chegue a cerca de US $ 400 milhões por ano. No entanto, o uso serial de novas tecnologias é possível, de acordo com especialistas, não antes de uma década.
O desenvolvimento de motores rotativos ou giratórios na América é realizado pelo US Navy Research Laboratory. De acordo com as estimativas iniciais, os novos motores serão mais potentes e também cerca de um quarto mais econômicos do que os motores convencionais. Ao mesmo tempo, os princípios básicos de operação da usina permanecerão os mesmos - os gases do combustível queimado entrarão na turbina a gás, girando suas pás. Segundo o laboratório da Marinha dos Estados Unidos, mesmo em um futuro relativamente distante, quando toda a frota americana será movida a eletricidade, as turbinas a gás ainda serão responsáveis pela geração de energia, em certa medida modificada.
Lembre-se de que a invenção do motor a jato pulsante remonta ao final do século XIX. O inventor foi o engenheiro sueco Martin Wiberg. Novas usinas se espalharam durante a Segunda Guerra Mundial, embora fossem significativamente inferiores em suas características técnicas aos motores de aeronaves existentes na época.
É importante destacar que, neste momento, a frota americana conta com 129 navios, que utilizam 430 motores de turbina a gás. A cada ano, o custo de fornecê-los com combustível é de cerca de US $ 2 bilhões. No futuro, quando os motores modernos forem substituídos por novos, a quantidade de custos de combustível mudará.
Os motores de combustão interna atualmente em uso operam no ciclo de Brighton. Se você definir a essência deste conceito em poucas palavras, então tudo se resume à mistura sucessiva do oxidante e do combustível, posterior compressão da mistura resultante, então - incêndio criminoso e combustão com a expansão dos produtos da combustão. Essa expansão serve apenas para acionar, movimentar pistões, girar uma turbina, ou seja, realizar ações mecânicas, fornecendo pressão constante. O processo de combustão da mistura de combustível se move a uma velocidade subsônica - esse processo é chamado de dufflagração.
Quanto aos novos motores, os cientistas pretendem utilizar neles a combustão explosiva, ou seja, a detonação, em que a combustão ocorre em velocidade supersônica. E embora atualmente o fenômeno da detonação não tenha sido totalmente estudado, sabe-se que com este tipo de combustão surge uma onda de choque, que se propaga através de uma mistura de combustível e ar, provoca uma reação química, cujo resultado é a liberação de uma quantidade bastante grande de energia térmica. Quando a onda de choque passa pela mistura, ela se aquece, o que leva à detonação.
No desenvolvimento de um novo motor, está prevista a utilização de determinados desenvolvimentos que foram obtidos no processo de desenvolvimento de um motor de detonação pulsante. Seu princípio de operação é que uma mistura de combustível pré-comprimida é alimentada na câmara de combustão, onde é inflamada e detonada. Os produtos da combustão se expandem no bico, realizando ações mecânicas. Então, todo o ciclo é repetido desde o início. Mas a desvantagem dos motores pulsantes é que a taxa de repetição dos ciclos é muito baixa. Além disso, o design dos próprios motores torna-se mais complexo no caso de um aumento no número de pulsações. Isso se deve à necessidade de sincronizar o funcionamento das válvulas, responsáveis pelo abastecimento da mistura combustível, bem como diretamente pelos próprios ciclos de detonação. Os motores pulsantes também são muito barulhentos, requerem uma grande quantidade de combustível para funcionar e o trabalho só é possível com a injeção constante de combustível.
Se compararmos os motores rotativos de detonação com os pulsantes, o princípio de sua operação é ligeiramente diferente. Assim, em particular, os novos motores proporcionam uma detonação contínua e constante do combustível na câmara de combustão. Este fenômeno é chamado de spin ou detonação rotativa. Foi descrito pela primeira vez em 1956 pelo cientista soviético Bogdan Voitsekhovsky. E esse fenômeno foi descoberto muito antes, em 1926. Os pioneiros foram os britânicos, que notaram que em certos sistemas aparecia uma "cabeça" brilhante e brilhante, que se movia em espiral, em vez de uma onda de detonação plana.
Voitsekhovsky, usando um gravador de fotos que ele mesmo projetou, fotografou a frente da onda, que se movia em uma câmara de combustão anular em uma mistura de combustível. A detonação spin difere da detonação plana porque nela surge uma única onda transversal de choque, seguida por um gás aquecido que não reagiu, e já atrás desta camada existe uma zona de reação química. E é exatamente essa onda que impede a combustão da própria câmara, que Marlene Topchiyan chamou de “uma rosquinha achatada”.
Deve-se notar que motores de detonação já foram usados no passado. Em particular, estamos falando sobre o motor pulsante a jato de ar, que foi usado pelos alemães no final da Segunda Guerra Mundial nos mísseis de cruzeiro V-1. Sua produção era bastante simples, seu uso era bastante fácil, mas ao mesmo tempo este motor não era muito confiável para resolver problemas importantes.
Além disso, em 2008, o Rutang Long-EZ, uma aeronave experimental equipada com um motor de detonação pulsante, alçou voo. O vôo durou apenas dez segundos a uma altitude de trinta metros. Durante esse tempo, a usina desenvolveu um impulso da ordem de 890 Newtons.
O protótipo experimental do motor, apresentado pelo laboratório americano da Marinha dos Estados Unidos, é uma câmara de combustão em forma de cone anular com um diâmetro de 14 centímetros do lado do abastecimento de combustível e 16 centímetros do lado do bico. A distância entre as paredes da câmara é de 1 centímetro, enquanto o “tubo” tem 17,7 centímetros de comprimento.
Uma mistura de ar e hidrogênio é usada como uma mistura de combustível, que é fornecida a uma pressão de 10 atmosferas para a câmara de combustão. A temperatura da mistura é de 27,9 graus. Observe que essa mistura é reconhecida como a mais conveniente para estudar o fenômeno da detonação do spin. Mas, segundo os cientistas, nos novos motores será possível usar uma mistura de combustível composta não só de hidrogênio, mas também de outros componentes combustíveis e ar.
Estudos experimentais de um motor rotativo mostraram sua maior eficiência e potência em comparação com os motores de combustão interna. Outra vantagem é a economia de combustível significativa. Ao mesmo tempo, durante o experimento foi revelado que a combustão da mistura de combustível no motor rotativo de "teste" não é uniforme, portanto é necessário otimizar o projeto do motor.
Os produtos da combustão que se expandem no bico podem ser coletados em um jato de gás por meio de um cone (é o chamado efeito Coanda), e então esse jato pode ser enviado para a turbina. A turbina irá girar sob a influência desses gases. Assim, parte do trabalho da turbina pode ser usada para propulsionar navios e, parte, para gerar energia, necessária para equipamentos de navios e sistemas diversos.
Os motores em si podem ser produzidos sem peças móveis, o que simplificará muito seu projeto, o que, por sua vez, reduzirá o custo da usina como um todo. Mas isso é apenas em perspectiva. Antes de lançar novos motores na produção em série, é necessário resolver muitos problemas difíceis, um dos quais é a seleção de materiais duráveis e resistentes ao calor.
Observe que, no momento, os motores de detonação rotativos são considerados um dos motores mais promissores. Eles também estão sendo desenvolvidos por cientistas da Universidade do Texas em Arlington. A usina que eles criaram foi chamada de "motor de detonação contínua". Na mesma universidade, estão sendo realizadas pesquisas sobre a seleção de vários diâmetros de câmaras anulares e várias misturas de combustíveis, que incluem hidrogênio e ar ou oxigênio em diferentes proporções.
O desenvolvimento nessa direção também está em andamento na Rússia. Assim, em 2011, de acordo com o diretor-gerente da associação de pesquisa e produção de Saturno I. Fedorov, os cientistas do Centro Científico e Técnico de Lyulka estão desenvolvendo um motor a jato de ar pulsante. O trabalho está sendo realizado paralelamente ao desenvolvimento de um promissor motor denominado "Produto 129" para o T-50. Além disso, Fedorov disse ainda que a associação está a realizar pesquisas sobre a criação de aeronaves promissoras da próxima fase, que deverão ser não tripuladas.
Ao mesmo tempo, o cabeçote não especificou que tipo de motor pulsante estava em questão. No momento, três tipos de motores são conhecidos - sem válvula, válvula e detonação. É geralmente aceito, entretanto, que os motores pulsantes são os mais simples e baratos de fabricar.
Hoje, várias grandes empresas de defesa estão conduzindo pesquisas sobre motores a jato pulsantes de alto desempenho. Entre essas empresas estão a americana Pratt & Whitney e General Electric e a francesa SNECMA.
Assim, certas conclusões podem ser tiradas: a criação de um novo motor promissor apresenta certas dificuldades. O principal problema no momento é em teoria: o que acontece exatamente quando a onda de choque de detonação se move em um círculo é conhecido apenas em termos gerais, e isso complica muito o processo de otimização de projetos. Portanto, a nova tecnologia, embora seja muito atrativa, dificilmente é viável em escala de produção industrial.
No entanto, se os pesquisadores conseguirem resolver as questões teóricas, será possível falar de um avanço real. Afinal, as turbinas são utilizadas não só no transporte, mas também no setor de energia, em que um aumento na eficiência pode ter um efeito ainda mais forte.
