Propulsores cuadrados en naves espaciales

La respuesta corta es sí, lo harían. Versión más larga de la siguiente manera. He completado más detalles para acomodar la etiqueta de ciencia dura.

Un motor de cohete básicamente funciona a través de la expansión del gas y siendo expulsado por la parte trasera del motor a alta velocidad. Lo que eso significa en la práctica es que a medida que el gas se expande como resultado de la quema de combustible, empuja en todas las direcciones casi por igual. Lo que hace la campana en la parte trasera del motor es darle al gas una dirección para escapar, más o menos empujando el motor hacia adelante.

Ahora, resulta que esto no es tan simple como parece, y hay un problema llamado Expansión óptima que define la eficiencia del cohete en términos de cómo el cohete expulsa su gas, gracias a la naturaleza de su enfriamiento inmediatamente después. la reacción.

La naturaleza de ese efecto significa que el diseño de boquilla más eficiente será la boquilla de campana , que es una curva parabólica que se adapta al gas en expansión, el hecho de que parte del gas no escapa exactamente en la dirección correcta. y 'da forma' correctamente al escape. Estas son las boquillas más difíciles de fabricar (y las más costosas), pero se usan en cualquier cosa donde el peso sea un factor, lo que significa grandes motores de cohetes como el Saturno V, el transbordador espacial, etc.

Lo que hace la carcasa de la campana es dar forma al escape a medida que escapa, guiando todas las liberaciones en ángulo para que retrocedan en una dirección prácticamente uniforme, incluso teniendo en cuenta el cambio en la temperatura y la presión del escape. Como tal, mantiene el empuje del motor dirigido limpiamente y aumenta la eficiencia del motor al minimizar la cantidad de gas que empuja en dirección oblicua al ángulo de empuje deseado.

Una vivienda cuadrada no hará eso.

La respuesta más simple de por qué es que si el gas se expande y se libera en una dirección común, el gas se expandirá radialmente , formando (en esencia) una onda de impulso circular. En efecto, eso significa que las presiones en el interior de la carcasa cuadrada ahora son desiguales, lo que hace que se acumule presión, especialmente en las esquinas estructuralmente débiles de la carcasa, lo que aumenta en gran medida la posibilidad de fallas al igual que en las ventanas de los aviones.

Debido a que todo el gas escapa del centro de la carcasa de la campana, una carcasa redonda da forma automáticamente a los vectores errantes en todos los casos. Uno cuadrado solo lo hará en algunos casos, es decir, en el medio de los lados y en las esquinas. En todos los demás casos, el lado de la carcasa es tangencial a los vectores de gas oblicuos, lo que crea ineficiencia y (potencialmente) chorros de empuje desalineados de la salida del motor, lo que también lo hace menos preciso.

La razón por la que esto es un problema es por la presión de la cámara . En el Saturno V, los motores de F1 tenían una presión de cámara operativa de 70 bar, o 70 veces la presión de la atmósfera al nivel del mar. Puede que no parezca mucho, pero entonces tienes una gran cantidad de gas que quiere escapar, y sale por la boquilla y entra en la campana, ejerciendo presión sobre las paredes internas de la boquilla. Como señaló Mark, cuando se generan vectores tangenciales, el gas se puede dirigir a esas esquinas en concentraciones ligeramente más altas, y las esquinas son un punto de estrés natural, como lo resaltó anteriormente. Esto significa que es menos probable que su propulsor sobreviva al estrés del motor quemado que una carcasa de campana redonda.

Como punto final, como se ha documentado en los comentarios, existe un motor cuadrado 'algo' posible en forma de motores Aerospike que bien pueden ajustarse a sus necesidades. Estos a menudo se describen como motores 'de adentro hacia afuera' debido a su diseño, pero bien pueden ser una solución a su necesidad de boquillas cuadradas. Ciertamente, desde la perspectiva de la ciencia dura, simplemente podría declarar que sus barcos usan este tipo de motor y seguir adelante; son una cosa real (aunque todavía no están en uso activo) y tienen la forma más cercana a la que desea que sospecho que obtendrá.

Si su propulsor no contiene alta presión, puede tener la forma que desee.

https://www.nasa.gov/centers/glenn/technology/Ion_Propulsion1.html

Representado, un propulsor de iones experimental. A diferencia de una gran cantidad de propelente caliente que se expande a una velocidad moderadamente rápida (como un chorro), los propulsores de iones usan cantidades muy pequeñas de iones que se mueven a velocidades extremadamente rápidas.

Estos no son ciencia ficción. Se están diseñando naves espaciales reales que utilizan estos. Es agradable porque el propulsor es pesado pero la energía no lo es, y el empuje aumenta con el cuadrado de la velocidad, por lo que más rápido y más pequeño es mejor.