¿Cómo puede disparar un motor OMS del transbordador espacial por debajo de 21 km hacer que su boquilla se "colapse"?

Esta respuesta a ¿Puede el transbordador espacial usar motores OMS durante el aterrizaje? dice:

No

y cita la Sección 3.7 del Libro de trabajo del sistema de maniobra orbital; OMS 21002 10 de octubre de 2006, versión final, USA006500 Rev. A:

3.7 RESTRICCIONES Y LIMITACIONES

La siguiente es una lista de las restricciones y limitaciones para el OMS que son relevantes para las operaciones de la tripulación.

La altitud mínima para quemar un motor OMS es de 70,000 pies. Por debajo de esta altitud, la diferencia de presión entre el interior y el exterior de la tobera del motor OMS podría provocar su colapso.

Si un motor de vacío funciona con una presión ambiental significativa, el escape se expandirá por debajo de lo normal y podría separarse de las paredes internas de la boquilla. Siempre supuse que esto se debía a la presión ambiental que se filtraba desde el exterior.

¿El fenómeno que podría conducir al colapso de la boquilla en este caso se debe a una "falla de separación" ? Aunque es difícil de imaginar, ¿la presión del escape del cohete OMS es inferior a la presión ambiental significativamente inferior a 21 kilómetros?

Parece que básicamente estás pidiendo una aclaración sobre una respuesta a una pregunta anterior. Esa es una de las cosas para las que están destinados los comentarios . ¿Hay alguna razón por la que sintió que esta necesitaba ser una pregunta separada?
@asdfex no es cómo funciona el principio de Bernoulli, describe los cambios de presión a lo largo de la línea de corriente (para la misma "parcela" de fluido), no puede usarlo para decir nada sobre la diferencia de presión de dos elementos fluidos no relacionados (ya fallará al intentar decir "velocidad" ya que es relativa, no absoluta). Por supuesto, habrá una caída de presión cuando el gas salga de la cámara de combustión, pero en relación con la presión en la cámara (origen de la línea de corriente), no en relación con la atmósfera circundante. (Otra cosa son las suposiciones sobre la no compresión, la conservación de la energía, etc.)
@IlmariKaronen: No estoy de acuerdo. Aunque uhoh hace referencia a una respuesta, esta es una pregunta completamente nueva e interesante. La respuesta a eso puede ser (y es de esperar que sea) tan compleja que no puede caber en otro comentario.
Responder un comentario en un comentario rara vez es apropiado @DarkDust: al comentar la respuesta, uno señala que para un lector ingenuo puede ser contrario a la intuición que ese sería el caso, y le da al autor de la respuesta la opción de expandir su respuesta. si lo consideran oportuno. Luego, el autor puede ignorar el comentario, comentar que probablemente sea mejor responderlo en una pregunta separada o incorporar la respuesta. Al hacer una pregunta y luego vincularla a la nueva pregunta en un comentario, el autor de la respuesta puede sentirse obligado a escribir otra respuesta completa.

Respuestas (1)

Un propulsor está sobreexpandido si la presión de escape de la tobera es menor que la presión ambiental, ambiente si la presión de escape de la tobera es igual a la presión ambiental o subexpandido si la presión de escape de la tobera es mayor que la presión ambiental. Dado que la presión ambiental es esencialmente cero en el vacío, cualquier propulsor que funcione en el vacío es, por definición, una tobera subexpandida.

Un propulsor diseñado para funcionar en vacío tendrá una presión de salida de boquilla extremadamente baja cuando el propulsor esté funcionando. Operar un propulsor diseñado para uso en vacío cuando la presión ambiental es mayor que la presión de escape da como resultado que la boquilla subexpandida de nivel de vacío se convierta en una boquilla sobreexpandida. Si la presión ambiental es mucho mayor que la presión de salida, la boquilla corre el peligro de convertirse en una boquilla muy sobreexpandida.

Hay muchos problemas serios asociados con las boquillas muy sobreexpandidas. El escape puede separarse de la boquilla, lo que puede provocar daños por impacto en la boquilla. Peor aún, la diferencia de presión entre el exterior de la boquilla (presión ambiental) y el interior de la boquilla puede hacer que la boquilla colapse sobre sí misma. Piense en su educación infantil cuando puso agua en una lata, la calentó hasta que hierva y luego insertó la lata boca abajo en un recipiente con agua fría. Las boquillas de los cohetes pueden soportar una expansión insuficiente. Lo que es peligroso es sobreexpandirse, en particular sobreexpandirse groseramente.

Una "lata de gasolina" cuadrada de 1 galón con un poco de agua hirviendo en el fondo fue aplastada dramáticamente en mi cocina cuando tenía 5 años al cerrar una tapa y luego quitar el fuego. Nunca lo olvidaré, "se abrochó". ( 1 2 ) A los 21 km, la presión es de 0,06 bar, por lo que este límite de altitud puede incluir algún factor de seguridad, es decir, no se garantiza que se doble a los 21 km, pero es entonces cuando es mejor que lo apague porque puede estar descendiendo bastante rápido en ese punto. .
Todavía es contradictorio para mí que el escape de baja presión pueda impulsarse a un ambiente de mayor presión. No quiero decir que no lo crea; es solo una de esas cosas con las que no puedo sentirme cómodo. ¿El empuje dividido por el área de la boquilla es realmente la presión aquí, o la "presión lateral" en la boquilla es diferente debido a algo de Bernoulli mencionado en los comentarios debajo de la pregunta?
@uhoh casi todos los motores de refuerzo están sobreexpandidos en el despegue; es decir, "escape de baja presión empujándose a sí mismo hacia una presión más alta". Motor izquierdo en el gráfico aerospaceweb.org/design/aerospike/figures/fig11a.jpg
@OrganicMarble Continuando con su línea de pensamiento, la razón por la que un escape de baja presión puede empujarse hacia una atmósfera de mayor presión es que el escape sale de la boquilla a una velocidad mayor que la velocidad del sonido. El escape no sabe muy bien que el aire está ahí.
@uhoh Puede ver fácilmente cuándo un motor que originalmente se sobreexpandió en el lanzamiento alcanza la altitud en la que la corriente de escape se subexpande. Ahí es cuando el penacho de escape de repente florece. Hay una pregunta relacionada con este tema hecha por usted que tiene una respuesta correcta que aún no ha aceptado. ¿ Qué factores determinan la altitud a la que las columnas de escape de los cohetes comienzan a florecer enormemente?
¿Cómo puede disparar un motor OMS del transbordador espacial por debajo de 21 km hacer que su boquilla se "colapse"?
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