¿Por qué los motores de vacío no se encienden después de Mach 1?

Sin embargo, me parece que una vez que el vehículo alcanza Mach 1, no podría entrar aire en la boquilla porque el vehículo se mueve más rápido que la velocidad a la que se aspira el aire.

Múltiples razones.

Una de las razones es el frente de choque que envuelve el vehículo de lanzamiento. Es el aire bien extraído del vehículo que se mueve a Mach 1 o más en relación con el vehículo. En las proximidades del vehículo, el aire se mueve a velocidades subsónicas. Una vez que un vehículo supera la velocidad del sonido (con respecto al aire bien extraído del vehículo), se desarrolla un frente de choque delante y alrededor del vehículo. Dentro del frente de choque, la velocidad del aire con respecto al vehículo permanece subsónica. Esto invalida la premisa básica de la pregunta.

Otra razón es la criticidad de la seguridad. La segunda etapa está envuelta hasta la separación de la primera etapa en la mayoría de los vehículos de lanzamiento. Sería una muy mala idea hacer que el motor de la segunda etapa se encienda mientras permanece envuelto. Si lo hace, significaría llenar los tanques de propulsor de la primera etapa con el escape caliente de la segunda etapa. Este es un excelente ejemplo de una función "no debe funcionar".

Las funciones críticas para la seguridad se clasifican como "debe funcionar" o "no debe funcionar", y la categorización posiblemente cambie de una a otra según la fase del vuelo. Por ejemplo, el encendido de la segunda etapa en un vehículo de lanzamiento típico (un vehículo en el que la segunda etapa está envuelta) pasa de una función "no debe funcionar" antes de la separación de la primera etapa a una función "debe funcionar" después de la primera. separación de etapas.

El transbordador espacial fue el único vehículo que conozco en el que los motores de vacío podrían haber sido encendidos antes de la separación de etapas. Incluso con el transbordador espacial, el encendido de los motores del sistema de maniobra orbital era una función "que no debía funcionar" por debajo de los 70000 pies (21,4 km) de altitud. Por debajo de esa altitud, existía el riesgo de que la tobera se colapsara debido a una gran sobreexpansión del escape . Múltiples inhibiciones impidieron que los motores del Transbordador OMS se dispararan por debajo de esta altitud.

Su idea de que "no podría entrar aire en la boquilla porque el vehículo se mueve más rápido que la velocidad a la que se aspira el aire" es incorrecta. Pero la velocidad del vehículo es irrelevante aquí.

La respuesta está bastante bien resumida en la respuesta principal aquí como alguien más vinculado, pero para volver a decirlo:

Los motores optimizados para vacío no funcionan en la atmósfera debido a la separación del flujo en la boquilla, lo que genera grandes cargas laterales (contra las paredes de la boquilla) e inestabilidades en la boquilla, lo que probablemente provoque una falla estructural o el colapso de la boquilla. La separación del flujo también puede generar choques dentro de la boquilla, lo que también conducirá a una falla estructural.

La separación del flujo ocurre cuando la presión a la salida de la boquilla es significativamente menor que la presión ambiental exterior; la presión de salida inferior a la presión ambiental se denomina sobreexpansión. No existe una proporción exacta en la que se produzca la separación del flujo, pero las estimaciones comunes están en el rango de P_salida/P_ambiente = 0,2-0,4. La diferencia de presión en la salida de la boquilla hace que el escape de menor presión sea "pellizcado" hacia el eje central por el gas ambiental de mayor presión. Si esta fuerza llega a ser demasiado alta, probablemente en el rango de las relaciones mencionadas, el flujo de la boquilla se separará de las paredes de la boquilla, lo que se denomina separación de flujo.

Para optimizar el rendimiento de la tobera de un cohete, la presión de salida debe ser lo más cercana posible a la presión ambiental; dado que los motores de vacío están optimizados para uso en el espacio, la presión de salida es extremadamente baja. La presión de salida estará controlada por la relación de expansión o relación de área de la boquilla (A_salida/A_garganta); para los motores de vacío, vemos boquillas mucho más grandes para maximizar la relación de expansión y minimizar la presión de salida.

Entonces, para responder brevemente a su pregunta:

• La velocidad del cohete (o Mach #) no es lo mismo que la velocidad de salida de la boquilla
• La separación del flujo ("aire aspirado") depende de la relación entre la presión de salida de la boquilla y la presión ambiental, no de la velocidad de salida del cohete o de la boquilla.
• Incluso a grandes altitudes, la boquilla de vacío generalmente estaría sobreexpandida y estaría en riesgo de separación del flujo.