Desempenho e eficiência do motor aeronáutico a pistão

Os motores a pistão de quatro tempos, utilizados nas aeronaves leves atuais, foram inventados há 135 atrás, em 1876. Antes da introdução dos motores a reação, entre as décadas de 1940 e 1950, esses motores predominavam também na aviação militar e na aviação comercial.

Motor Continental IO-520

O motor ciclo Otto, de quatro tempos, em princípio, parece um verdadeiro trambolho tecnológico. Embora aperfeiçoado, é basicamente o mesmo motor de mais de um século atrás, mas continua a ser utilizado na grande maioria dos automóveis e aeronaves leves atuais. Por que?

Para utilização aeronáutica, o motor deve ter vários requisitos essenciais. Deve ser eficiente, de baixo custo, econômico em relação ao consumo de combustível e de despesas de manutenção, confiável, durável e capaz de produzir grande potência em relação ao seu peso.

No entanto, os motores a pistão não são, de forma alguma, máquinas eficientes, pois raramente conseguem converter mais de 25 por cento da energia contida no combustível em energia mecânica. Se comparado com um motor elétrico, por exemplo, que consegue converter quase 90 por cento da energia elétrica que consomem em energia mecânica, o motor a pistão é um grande desperdiçador de energia.

O motor a pistão funciona pela expansão dos gases produzidos na queima de um combustível, convertendo assim energia química em térmica, pela combustão, e energia térmica em energia mecânica, pela expansão dos gases.

Caso não houvesse perdas nesse processo, toda a energia química contida no combustível seria convertida em energia mecânica. Mas não é isso o que acontece. A potência que poderia ser obtida pelo motor, pela queima do combustível, sem nenhuma perda, é denominada potência teórica, e é impossível de se obter, na prática.

Para começar, nenhuma queima é realmente completa, algum combustível não queimado sempre vai restar nos gases de escapamento. Em segundo lugar, grande parte da energia térmica produzida pela queima simplesmente não vai ser convertida em energia mecânica. Por fim, grande parte da energia mecânica produzida vai ser novamente convertida em energia térmica pelo atrito interno no motor, ou consumida pelo próprio motor para acionar diversos acessórios, indispensáveis ao seu funcionamento.

A energia mecânica da expansão dos gases pode ser calculada, constituindo-se na chamada potência indicada. A fórmula simplificada para esse cálculo está abaixo:

Potência Indicada = (P x L x A x N x K)

                                           33.000

Onde:

P = Pressão efetiva média indicada, em PSI;

L = Comprimento do curso do pistão, em pés ou fração;

A = Área da cabeça do pistão ou da seção reta do cilindro, em polegada quadrada;

N = Número de tempos de potência por minuto, ou seja, a RPM dividida por 2 (há um tempo motor a cada 2 voltas do eixo de manivelas);

K = Número de cilindros.

Na fórmula acima, a área do pistão multiplicada pela pressão efetiva média indicada dá a força, em libras-força, que é aplicada sobre o pistão que, multiplicada pelo curso, em pés, dá o trabalho desenvolvido em um tempo de potência, em libras.pé, o qual, por sua vez, multiplicado pelo número de tempos de potência em um minuto, nos dá a potência produzida pela expansão dos gases.

Motor Bristol Hydra, raro motor radial de 16 cilindros

Uma vez que um HP é definido como sendo a potência produzida por 33.000 libras-pé por minuto, o total de libras.pé de trabalho produzido pelos cilindros do motor deve ser dividido por 33.000 para se obter a potência indicada, em HP.

Até aí, portanto, conseguimos obter a potência da conversão de energia térmica em mecânica dentro do motor. Sem contar que boa parte do combustível não foi queimada, temos que considerar que grande parte da energia térmica produzida não se converte em energia mecânica, e que mesmo a energia mecânica dos gases expandidos não é totalmente aproveitada. Daí, pode-se deduzir que grande parte da potência teórica, entre 40 e 45 por cento, será simplesmente jogada fora, através dos gases quentes do escapamento.

A potência indicada, por sua vez, também não é totalmente aproveitada, já que uma parte dela vai ser consumida para vencer os atritos internos e para acionar acessórios, como comandos de válvulas, bombas de óleo e de combustível, magnetos, geradores e outros dispositivos.

Motor Lycoming IO-540

A potência que se consegue obter no eixo da hélice, também conhecida como potência efetiva, é medidA experimentalmente por dispositivos denominados dinamômetros. Ao se usar um dinamômetro, se obtém o torque, uma grandez vetorial da física que significa uma força multiplicada pela braço de alavanca, para fazer girar um eixo. O cálculo da potência efetiva é então definido pela fórmula:

Potência Efetiva = 2 x π x Torque x RPM

                                 33.000

Portanto, depois de se conhecer tais cálculos, pode-se imaginar meios de aumentar a potência, a economia, ou os dois fatores juntos, o que resultaria em melhor eficiência, uma tarefa nada fácil.

Na maior parte das vezes, aumentar a potência do motor vai resultar em maior consumo de combustível, o qual é desproporcional, resultando quase sempre em piora da eficiência à medida em que se aumenta a potência.

O principal fator determinante da potência, em um motor aeronáutico, é a cilindrada, que pode afetar nada menos que três variáveis da fórmula do cálculo da potência indicada (L, A, K). É um fator tão importante que a maioria dos motores aeronáuticos é designada por sua cilindrada, em polegadas cúbicas.

Motor Ranger L440, de seis cilindros

Para aumentar a cilindrada, pode-se aumentar o diâmetro dos cilindros, aumentar o curso ou aumentar o número de cilindros. Qualquer um desses fatores, no entanto, tende a aumentar o peso e o tamanho do motor, ou a sua complexidade, caso se aumente o número de cilindros. Deve-se notar que cilindros pequenos são mais eficientes que os grandes.

Motor Pratt & Whitney R4360, de 28 cilindros

Para se aumentar a pressão efetiva média, pode-se aumentar a taxa de compressão do motor que, no entanto, é limitada pela qualidade do combustível utilizado. Outra solução é aumentar a pressão de entrada, utilizando-se compressores (blowers) ou turbocompressores. Outra opção disponível é aumentar o número de válvulas, ou o tempo de abertura delas, para admitir mais ar dentro do motor. Essas soluções, no entanto, têm a tendência de reduzir o torque em baixas rotações,  e pode tornar a marcha lenta do motor irregular, pela mistura entre gases de escapamento e ar/mistura de admissão.

A taxa de compressão, que resulta da razão entre o volume total do cilindro (cilindrada mais o volume da câmara de combustão, com o pistão no ponto morto alto), e o volume da câmara de combustão, no ponto morto alto, é um dos mais importantes fatores que influem tanto na potência produzida pelo motor quanto na eficiência da queima do combustível, e por consequência, na eficiência do motor em si.  Todavia, a taxa de compressão é limitada pela qualidade do combustível utilizado pelo motor. Taxas de compressão muito elevadas acabam por provocar a detonação da mistura ar-combustível antes que a vela de ignição dê a faísca, e isso é altamente danoso para o motor: resulta não somente em perda de potência, mas também em sobrecarga de esforço nos pistões e superaquecimento da câmara, o que vai, invariavelmente, provocar danos ao motor. Pode-se usar combustíveis com melhor poder antidetonante, como gasolina aditivada com chumbo tetraetlila, ou etanol, mas, de qualquer forma, sempre vai haver um limite prático para a taxa de compressão do motor. Motores de ciclo diesel, que podem usar taxas de compressão muito mais altas, pois admitem apenas ar, são, em consequência, muito mais eficientes.

Por fim, resta o recurso de aumentar a velocidade do motor, solução muito utilizada em motocicletas, por exemplo, mas que é inconveniente para os motores aeronáuticos, por necessitar de uma pesada caixa de redução para acionar a hélice, que tem limitações aerodinâmicas de velocidade.

Dentre as poucas soluções imaginadas para reduzir a perda de potência pelo escapamento, que drena mais de 40 por cento da potência que um motor poderia produzir, estão os "Turbo Compounds". Esses dispositivos consistem em turbinas, acionadas pelos gases do escapamento, que são acopladas ao eixo de manivelas por um conversor de torque hidráulico. Tal dispositivo pode realmente aumentar a potência do motor, sem aumentar o consumo de combustível, recuperando a potência perdida no escapamento.

Motor Wright R3350TC, com um dos Turbo Compound em primeiro plano

Os Turbo-Compound, quando foram introduzidos nos motores aeronáuticos Wright R3350 TC, causaram muitos problemas, no entanto. Esses motores foram utilizados nos últimos grandes aviões comerciais de motor a pistão, os Lockheed Super Constellation e Douglas DC-7, mas a tecnologia de materiais da época não era adequada ao uso de tais dispositivos, que muitas vezes falhavam catastroficamente, geralmente por superaquecimento. Foram praticamente abandonados, em favor do uso de motores a reação, e só recentemente os Turbo Compound voltaram a ser utilizados, não em motores aeronáuticos, mas sim em motores a diesel de caminhão.

Para demonstrar as perdas de potência em um motor a pistão turbocomprimido, vamos utilizar como exemplo um dos mais eficientes motores já construídos, o Rolls-Royce Merlin da década de 1940. A despeito de ser antigo, tal motor é considerado muito eficiente até mesmo pelos padrões de hoje:

Motor Rolls-Royce Merlin

Energia química do combustível (potência teórica): 5.410 HP;

Perdas:

1) Pelo escapamento: 2.790 HP (51,6%), sendo 2540 HP (47%) perdidos sob a forma de calor e energia mecânica, e 250 HP (4,6%) de energia química desperdiçada por produção de metano e monóxido de carbono pela combustão incompleta;

2) Perdas de calor da queima através do cilindro, absorvidas pelo sistema de refrigeração e pelo óleo, ou perdidas por irradiação direta: 660 HP (17,2%);

3) Potência absorvida pelo supercharger: 60 HP (1,1%);

4) Perdas mecânicas por atrito (reconversão de energia mecânica em térmica), ou para acionamento de acessórios: 300 HP (5,6%);

Potência efetiva, medida no eixo da hélice: 1.600 HP (29,6%)

A potência efetiva, ao se converter em tração, ainda sofre perdas, por atrito, viscosidade do ar e compressibilidade na hélice, equivalentes a cerca de 20 por cento da potência efetiva nas melhores hélices. No nosso exemplo, a potência útil ou tratora equivaleria a 1.280 HP.

Os cálculos acima foram feitos para a gasolina efetivamente queimada, não considerando, portanto, o combustível que entrou no motor e não foi consumido. Quando se usa mistura rica, há grande aumento de consumo, e mesmo com o uso de mistura pobre, uma certa quantidade de gasolina não será queimada.

Mesmo considerando a baixa eficiência dos motores a pistão, esses são bem mais eficientes que os motores a reação. Como os altamente eficientes, mas pesados, motores elétricos ainda não são praticáveis na aviação, exceto para algumas pesquisas experimentais, o motor a pistão ainda é a melhor opção para as aeronaves leves.

Vale dizer que os motores de ciclo Diesel são mais eficientes que os motores ciclo Otto,  e devem ser uma boa opção para se equipar a aviação leve, no futuro próximo.

XB-70 Valkyrie: Colisão no ar sobre o Deserto de Mojave

No final da década de 1950, na crescente corrida armamentista que estava sendo disputada entre os Estados Unidos e a União Soviética, não faltava dinheiro para financiar as mais extravagantes aeronaves já imaginadas pelos projetistas americanos.

XB-70 decolando

Uma das mais fantásticas aeronaves dessa época foi o North American XB-70 Valkyrie. Esse avião deveria ser o principal bombardeiro estratégico americano, e foi projetado para voar a Mach 3, a 70 mil pés, economicamente, com alcance de combate de quase 7 mil Km, carregando armas nucleares.

XB-70 em Edwards

Naquela época, as única armas eficazes contra os bombardeiros eram os caças supersônicos, e a velocidade e a altitude projetadas para o XB-70 o colocavam virtualmente fora de alcance, mesmo dos mais poderosos caças da época.

Infelizmente para o XB-70, na mesma época foram desenvolvidos os mísseis terra-ar de grande altitude, que acrescentaram um grande risco adicional aos bombardeiros, mesmo os mais velozes. O desenvolvimento dos mísseis balísticos intercontinentais também acrescentou outra variável na equação, pois as armas nucleares podiam ser disparadas à distância, de silos em terra ou de submarinos nucleares, sem necessidade de caros bombardeiros tripulados.

Na verdade, o golpe de misericórdia no projeto do XB-70 foi o seu altíssimo custo de desenvolvimento, considerado injustificável pelo Presidente John Kennedy. O Departamento da Defesa cancelou o programa XB-70 em março de 1961, e os planos de uma grande frota de bombardeiros voando a Mach 3 foram definitivamente engavetados. Todavia, isso não significava o fim do avião.

O projeto do XB-70 era avançado e revolucionário demais para ser desprezado. Durante os anos 60, pesquisas no campo da aerodinâmica e de propulsão a jato tornavam viável a possibilidade de transportar passageiros a velocidades supersônicas. Americanos, russos e europeus travaram então uma competição para lançar o primeiro avião comercial supersônico.

O XB-70, desprezado como arma militar antes de chegar a voar, acabou se tornando uma aeronave de pesquisa para o voo em velocidade supersônica.

Mesmo sob a ótica atual, 50 anos depois, o XB-70 era uma aeronave extraordinária, sob qualquer ponto de vista. Com peso máximo de decolagem de 250 toneladas, tinha seis motores GE YJ-93 de 19.900 lbf de empuxo, 28.800 lbf com pós combustão. Com 177 toneladas de combustível, carregadas internamente, podia voar quase 7 mil Km e voltar, sem reabastecer. Sua velocidade máxima era de Mach 3,1, 3.300 Km/h, e o teto de serviço podia chegar a 77 mil pés.

Mesmo com o programa de bombardeiros cancelado, o governo americano financiou a construção de 2 protótipos pela North American, que foram destinados à NASA, para trabalhos em conjunto com a USAF. O primeiro deles voou em 21 de setembro de 1964. O segundo protótipo voou pouco tempo depois.

No dia 8 de junho de 1966, o segundo protótipo, o AV-2, USAF S/N 62-0207, estava escalado para voar pela 46ª vez. O local era a Base Aérea de Edwards, no Deserto de Mojave, na Califórnia. A missão destinava-se a avaliar o estrondo sônico, um terrível subproduto do voo supersônico e um dos principais entraves a superar para tornar viável o voo comercial acima da velocidade do som. 

O XB-70 decolou às 07:15 da manhã de Edwards. A missão era quase rotineira, mas nesse voo em especial, a USAF autorizou o voo em formatura do XB-70 com outras aeronaves, depois que os voos de pesquisa programados terminassem.

Um desses aviões era um Learjet 23 civil, alugado pela General Eletric, fabricante dos motores do XB-70. Era uma missão fotográfica, com finalidades publicitárias. Os outros eram um Northrop T-38 Tallon e um Lockheed F-104 Starfighter da USAF, que escoltaram, pelo menos enquanto puderam, o XB-70 nas missões supersônicas. Outros aviões se alternavam na formação.

Como o Learjet não tinha desempenho suficiente para poder acompanhar o XB-70 e os outros aviões militares em grande altitude, a formação inteira desceu para 20 mil pés, para possilitar a missão fotográfica numa velocidade razoável.

Os aviões voavam em formação cerrada, bem próximos, no céu límpido acima do deserto. O F-104, comandado pelo experiente piloto Joe Walker, voava pouco acima do XB-70. Walker já tinha acompanhado 8 missões do XB-70. Era muito experiente, e detentor de recordes mundiais, à época, como o de maior altitude, 354.200 pés, e velocidade, 6.605 Km/h, no programa experimental do avião-foguete X-15.

Subitamente, no entanto, ocorreu o desastre. O F-104 de Walker colidiu com a empenagem do XB-70, arrancando suas duas derivas. Rolando para a esquerda, chocou-se com a asa do XB-70 e partiu-se em dois. Tudo isso ocorreu em exatos 2,8 segundos.

Logo após a colisão com o XB-70, o F-104 se desfaz em chamas

Walker era curioso, uma das qualidades que o fizeram um bom piloto de testes. Mas sua curiosidade pode ter sido mortal nesse dia. Ao se aproximar demais do XB-70, para observar alguma coisa, tocou-o de leve, mas o suficiente para perder o controle e colidir.

O XB 70 mortalmente ferido, mas ainda voando após o impacto

O piloto do XB-70, Al White, ouviu pelo rádio que houvera uma colisão. A princípio, poderia ter pensado que não era com o seu avião. O XB-70, apesar de mortalmente ferido, ficou estável por incríveis 16 segundos, como se nada houvesse acontecido.

Como vova muito mais rápido e muito mais alto que qualquer aeronave então experimentada, o XB-70 não tinha assentos ejetáveis, como qualquer aeronave militar de alto desempenho. Tais dispositivos não seriam simplesmente capazes de garantir a sobrevivência dos pilotos, nesses limites extremos de velocidade e altitude. Ao invés, o XB-70 era equipado com cápsulas de escape, que garantiam proteção nessas situações.

O XB-70 finalmente se rendeu aos seus ferimentos mortais, e rolou violentamente para a direita. Ficou invertido e com o nariz para baixo, depois voltou para a posição normal e com o nariz para cima. Por fim, precipitou-se em direção ao solo em parafuso.

O piloto Al White ficou quase imobilizado em seu assento pela força centrífuga. Pouca coisa havia a fazer, a não ser ejetar.

Para se ejetar do XB-70, eram necessárias apenas duas providências por parte dos pilotos: primeiro, puxar um dos punhos amarelos, ou ambos, que ficavam nos braços dos assentos. Depois, apertar um gatilho existente no punho esquerdo, ou do punho direito, ou ambos.

O primeiro movimento empurrou White violentamente para trás, em direção ao alojamento do cápsula de ejeção, e apertou-o firmemente com os cintos de quatro pontos. Seus pés foram empurrados para trás por outro dispositivo, acionando a carga explosiva que fechava a porta da cápsula de ejeção.

No entanto, o  cotovelo direito de White ficou preso na articulação da porta, que não se fechou totalmente. Cerca de 15 cm do seu cotovelo dobrado ficaram para fora da cápsula. Com as mãos imobilizadas pelos dispositivos automáticos, White não pode fazer quase nada para se livrar. A folga entre a cápsula e a estrutura do avião era de apenas 10 cm, e White podia ter seu cotovelo decepado se tivesse ejetado nesse momento.

Enquanto o XB-70 caía, White dolorosamente conseguiu puxar o cotovelo para dentro e se ejetou. O Major Carl Cross, o copiloto do XB-70, parecia atrapalhado com alguma força ou coisa no avião, e jamais chegou a acionar sua cápsula de ejeção.

O impacto do XB-70 no deserto

As desventuras de Al White, mesmo que já ejetado, ainda não haviam terminado. As portas da cápsula de ejeção não estavam fechadas, uma vez que as cargas explosivas que faziam essa ação já tinham sido disparadas, e as portas abertas estavam impedindo o funcionamento de outro dispositivo de segurança, que amortecia o impacto com o solo, uma espécie de colchão inflável. Mesmo com paraquedas, o impacto da cápsula com o solo era considerável.

A despeito dos esforços de White, a cápsula de ejeção chocou-se com o solo com um impacto de 30 G. A maior parte dos seus órgãos internos, especialmente da parte inferior do corpo, pararam de funcionar. White ficou semanas no hospital, mas depois recuperou-se totalmente.

O Major Cross, copiloto do XB-70, foi encontrado nos destroços fumegantes do avião. Ele não conseguiu sequer iniciar os procedimentos de ejeção. Joe Walker, piloto do F-104, foi encontrado nos destroços do  seu avião, decapitado, a 16 Km do local do impacto do XB-70. Jamais pode ser determinado, com certeza, o que fez o F-104 colidir com o XB-70. O vórtice aerodinâmico criado pelas derivas do XB-70 pode ter desestablizado o F-104 a ponto de provocar a colisão, mas é certo que Walker não deveria ter se aproximado tanto.

O XB-70 pousando em Dayton, Ohio

O programa de testes do XB-70 não foi interrompido com o acidente. Os voos com o primeiro protótipo continuaram em Edwards até 1968. Essa aeronave fez um total de 83 voos e o programa de pesquisa resultou em ensinamentos que são úteis até hoje, 45 anos depois do acidente em Edwards. Em 4 de fevereiro de 1969, o XB-70 remanescente fez seu útlimo voo, para o Museu da USAF em Dayton, Ohio, onde se escontra exposto até hoje.