¿El Falcon 9 v1.1 forma un diamante de choque cuando está en vuelo?

El diseño OctaWeb de Falcon 9 v1.1 en realidad forma una aproximación tosca de una boquilla aerospike cuando todos los motores están encendidos. Para entender por qué la columna de escape se ve así en la foto, es importante entender cómo funcionan las campanas de los motores de cohetes.

Esta imagen muestra cómo la tobera expande los gases para producir empuje. Las cámaras de combustión de cohetes combinan combustible y oxidante para producir un gas a alta presión. Este gas en realidad se mueve relativamente lento en la cámara de combustión (por debajo de Mach 1). La boquilla de expansión toma el gas de alta presión y lo expande a un gas de baja presión y alta velocidad.

Las cuatro figuras muestran la misma boquilla con la misma relación de expansión en cuatro entornos operativos diferentes (diferentes presiones externas).

La primera boquilla está subexpandida, donde la presión de los gases de escape > la presión del aire ambiente. Esto significa que cuando los gases de escape salen de la tobera, parte del gas se expande perpendicularmente al vector de empuje y, por lo tanto, no realiza ningún trabajo útil en el cohete.

La segunda figura muestra la tobera de expansión ideal, donde el gas se expande de manera que la presión de escape = presión atmosférica y toda su energía cinética sale directamente del cohete.

La tercera figura muestra una boquilla sobreexpandida donde la presión de escape < presión ambiental. El escape es comprimido por el aire ambiente y pierde algo de eficiencia.

La cuarta figura muestra una tobera muy sobreexpandida donde la presión de escape << presión ambiental. Esto puede provocar inestabilidad ya que el escape se separa de las paredes de la boquilla.

El escenario ideal es presión de escape == presión ambiental, sin embargo, este escenario ideal no ocurre con frecuencia. Los cohetes se utilizan para ir al espacio y, a medida que aumentan de altitud, la presión del aire ambiente disminuye. Por lo tanto, una tobera que es 'perfecta' al nivel del mar estará subexpandida a medida que el cohete vuele. La mayoría de los fabricantes de cohetes diseñan sus motores de primera etapa para que estén ligeramente sobreexpandidos, de modo que estén en el rango ideal a medida que ganan altitud.

Sin embargo, una forma de combatir esto es usar una boquilla de geometría variable para permanecer en el rango ideal durante el mayor tiempo posible. Un aerospike es una forma de tobera de geometría variable y puede considerarse una tobera de cohete invertida. El combustible se inyecta a lo largo de un cono (toroidal) o una cuña (lineal). La presión ambiental y las paredes del pico crean una boquilla virtual para expandir los gases. Este tipo de motor será más eficiente porque la relación de expansión cambia con la presión ambiental, ya que la presión ambiental es lo que expande los gases en primer lugar.

Así que ahora volvamos al Falcon 9 v1.1. El Merlin 1D-Sea Level está ligeramente sobreexpandido al nivel del mar. A medida que el Halcón asciende, alcanza la expansión ideal y luego se subexpande. Los 9 motores en OctaWeb crean un efecto similar a un aerospike donde los 8 motores en el anillo exterior empujan el aire lejos del motor central y crean una región de baja presión. En el despegue, el Merlín central en realidad produce más empuje que el resto de los Merlín debido a este efecto. El penacho en la foto es la subexpansión de todos los motores combinados.

Fuentes:
Rocket Engine Expansion
Aerospikes