Tipos eficientes de toberas utilizadas en cohetes

Sí, hay varios otros tipos de boquillas en uso, que se están probando o patentando. Primero recapitulemos sobre los distintos tipos de boquillas utilizadas en aeronáutica :

• La tobera de relación baja se usa predominantemente en aviones civiles y también en algunos aviones de reconocimiento de baja velocidad, y es una tobera de Laval convergente-divergente con una relación de presión de área de entrada-salida extremadamente baja que evita la obstrucción a bajas velocidades del aire, reduce el ruido generado y es tan confiables como vienen:

       

       ^{Boeing ecoDemonstrator probado en avión de American Airlines}

• La boquilla eyectora es la más simple de las boquillas de escape variable y se usa más comúnmente en aviones propulsados ​​por chorro que las boquillas de iris debido a su diseño más simple de pétalos cargados por resorte y, por lo tanto, son más confiables, pero producen más resistencia al flujo de aire secundario y son menos eficiente que otros diseños más avanzados:

       

       ^{Boquilla de escape variable, en el turboventilador de derivación baja GE F404-400 instalado en un Boeing F/A-18 Hornet}

• La boquilla Iris es una boquilla de escape variable comúnmente utilizada en aviones de combate y bombarderos y puede ajustar su contorno mediante un diseño de pétalo similar al iris para maximizar el rendimiento y evitar una distribución desigual de la presión (choque oblicuo). En algunos diseños, también pueden cambiar el vector de empuje (ángulo con respecto a la aeronave) o agregar frenos de aire (p. ej.: frenos de aire de escape del posquemador MiG-23 )

       

       ^{Postquemadores de boquilla Iris en el caza F-15 Eagle}

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Y ahora viene la parte divertida: los tipos de toberas que se utilizan en la astronáutica, los aviones experimentales hipersónicos,... :

• La boquilla de campana es posiblemente el tipo de boquilla más comúnmente utilizado en los motores de cohetes, por su simplicidad, peso relativamente bajo con materiales avanzados y, en algunos diseños, incluso capacidad de ajuste (ver la boquilla de iris a continuación) del volumen de su cámara de escape / expansión:

       

       ^{Boquilla de cohete en V2 que muestra la forma clásica}

• La boquilla de expansión-desviación (o Pintle Injector ) es un tipo de dispositivo de inyección de propulsor para un motor de cohete que se usó por primera vez en un vehículo de vuelo durante el Programa Apolo en el motor de descenso del Módulo de Excursión Lunar. Los inyectores Pintle se utilizan actualmente en los motores Merlin de SpaceX:

       

       ^{Diagrama esquemático de la sección transversal de la solicitud de patente del inyector de clavija}

• La boquilla de tapón "Aerospike" (o Spike Nozzle ) es una boquilla de compensación de altitud con el contorno ideal, una "punta" larga y gradual que reduce la presión, a menudo con una cámara de combustión de tipo anular ancha (de gran volumen) en la base. Esta boquilla se autocompensa para la presión atmosférica, y el tapón y la cámara de combustión pueden variar en tamaño para diferentes aplicaciones (los "tapones de punta" de forma convexa más corta también se usan en motores a reacción de aviación civil, y truncados/no truncados o completos). puntas cóncavas de longitud generalmente utilizadas para aviones supersónicos, cohetes,...). Entre las principales ventajas se encuentra una reducción de hasta un 30% en el propulsor requerido en altitudes más bajas debido a su naturaleza autocompensante:

       

       ^{Modelo 3D de los componentes del motor Aerospike con un "pico" de forma ligeramente convexa}

• Aerospike anular y lineal son variantes del diseño de boquilla de aerospike truncado, comúnmente con varios escapes de combustión de turbina colocados linealmente o anularmente sobre la boquilla de escape. La boquilla de punta está truncada y permite un empuje adicional con un campo de flujo de recirculación subsónico que se forma en la parte truncada, a medida que los gases se expanden sobre la superficie de la boquilla. La dinámica de un motor de aerospike lineal se explica en detalle en este video de Linear Aerospike Engine :

       

       ^{Se está probando el motor aerospike lineal XRS-2200 para el programa X-33}

• SERN (Boquilla de rampa de expansión única) es esencialmente una boquilla de punta aerodinámica lineal de un solo lado, pero puede ir acompañada de sistemas de control de inclinación y elevación más complejos debido a la transferencia de impulso que puede ser angular a la aeronave / nave espacial debido a la regulación:

  Muchos diseños de aviones espaciales con motores scramjet utilizan SERN debido a la reducción de peso en relaciones de expansión grandes o la elevación adicional en la expansión insuficiente. El X-43, un vehículo de prueba en el programa Hyper-X de la NASA, es un ejemplo volador.

       

       ^{Aviones de reconocimiento Aurora Mach 5 (abajo) y SR-71 Mach 3 (arriba) volando en formación.}

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Y luego hay muchos otros subtipos, que combinan varios tipos de boquillas iguales o diferentes en un solo diseño :

• Tobera expansiva , que es un tipo de tobera de cohete que, a diferencia de los diseños tradicionales, mantiene su eficiencia en una amplia gama de altitudes. Es miembro de la clase de boquillas de compensación de altitud, una clase que también incluye la boquilla de tapón y la aeroespiga. Si bien la boquilla expansiva es la menos técnicamente avanzada y la más simple de entender desde el punto de vista del modelado, también parece ser el diseño más difícil de construir.

• Tobera escalonada (tobera de doble campana) : una tobera de cohete de Laval que tiene propiedades de compensación de altitud.

• Tobera de doble expansión que es un motor cohete de ciclo compuesto que tiene un motor interior dispuesto para descargar directamente en la tobera de un motor exterior.

• Se describe una tobera de doble garganta (o tobera de doble capacidad de combustible) que es una tobera de combustible y una cámara de combustión de turbina de gas capaz de operar con múltiples combustibles con acumulación reducida de carbono en la tobera de combustible y los componentes adyacentes de la cámara de combustión. La boquilla de combustible incorpora un conjunto de combustible de gas reconfigurado y un tubo de mezcla para eliminar áreas conocidas de recirculación. Además, el conjunto de combustible líquido incluye características de pulverización reconfiguradas para reducir aún más la interacción de las gotitas con el tubo mezclador.

Lectura adicional sugerida: publicación de blog de Kostas Makris sobre diseño de boquillas

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^{Parece que he sobrecargado un poco la capacidad de nuestro analizador de contenido para dar formato a hipertexto, enlaces, etc., por lo que no agregué ninguna fotografía para el último grupo de boquillas. Basé mi lista de forma un tanto vaga en Wikipedia, omití algunos diseños duplicados y agregué algunos más a los que no se describen allí. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que no existe ninguna clasificación oficial, aparte de su uso en varias industrias (que pueden variar mucho), por lo que adopté la mía para este propósito.}

La explicación de las boquillas que funcionan al disminuir la velocidad del flujo no es correcta. Las boquillas SIEMPRE aceleran el flujo que pasa a través de ellas. Primero hay que entender qué tipo de flujo pasa a través de la boquilla. Si el flujo de entrada de la boquilla es moderadamente subsónico, el flujo se acelerará en la garganta de la boquilla (el área mínima) e impartirá el mayor impulso al gas. Dado que el empuje se basa en gran medida en el impulso, no es necesaria la expansión aguas abajo de la garganta (solo mire las boquillas de los motores a reacción comerciales) y el gas se expulsa a la atmósfera. También sostiene que la presión del gas será la más baja en la garganta. Ahora bien, si la velocidad del flujo de entrada de la boquilla es lo suficientemente alta, el flujo se acelerará a Mach 1 en la garganta. En este caso, el flujo se vuelve supersónico y las cosas suceden a la inversa. En flujo supersónico, el área de expansión provoca una aceleración y una caída de presión, lo opuesto a lo que sucede con el flujo subsónico. Entonces, después de que el flujo alcanza Mach 1 en la garganta, se necesita un área de expansión aguas abajo para acelerarlo aún más. Esta es la razón por la cual las boquillas se expanden y lo hacen de tal manera que logran una velocidad de salida deseada. En cuanto a la distribución de la presión interna dentro de la tobera supersónica, continúa cayendo a lo largo de la tobera aguas abajo de la garganta. Nuevamente, esto es opuesto a lo que sucede con el flujo subsónico. Las fuerzas de presión proporcionan algo de empuje, pero no mucho. El componente de presión del empuje es relativamente insignificante en comparación con la contribución del impulso del flujo acelerado. Y, por cierto, a excepción de los motores basados ​​​​en detonación, el flujo de entrada de la boquilla de cualquier motor (reactor o cohete) siempre es subsónico. opuesta a la del flujo subsónico. Entonces, después de que el flujo alcanza Mach 1 en la garganta, se necesita un área de expansión aguas abajo para acelerarlo aún más. Esta es la razón por la cual las boquillas se expanden y lo hacen de tal manera que logran una velocidad de salida deseada. En cuanto a la distribución de la presión interna dentro de la tobera supersónica, continúa cayendo a lo largo de la tobera aguas abajo de la garganta. Nuevamente, esto es opuesto a lo que sucede con el flujo subsónico. Las fuerzas de presión proporcionan algo de empuje, pero no mucho. El componente de presión del empuje es relativamente insignificante en comparación con la contribución del impulso del flujo acelerado. Y, por cierto, a excepción de los motores basados ​​​​en detonación, el flujo de entrada de la boquilla de cualquier motor (reactor o cohete) siempre es subsónico. opuesta a la del flujo subsónico. Entonces, después de que el flujo alcanza Mach 1 en la garganta, se necesita un área de expansión aguas abajo para acelerarlo aún más. Esta es la razón por la cual las boquillas se expanden y lo hacen de tal manera que logran una velocidad de salida deseada. En cuanto a la distribución de la presión interna dentro de la tobera supersónica, continúa cayendo a lo largo de la tobera aguas abajo de la garganta. Nuevamente, esto es opuesto a lo que sucede con el flujo subsónico. Las fuerzas de presión proporcionan algo de empuje, pero no mucho. El componente de presión del empuje es relativamente insignificante en comparación con la contribución del impulso del flujo acelerado. Y, por cierto, a excepción de los motores basados ​​​​en detonación, el flujo de entrada de la boquilla de cualquier motor (reactor o cohete) siempre es subsónico. se necesita un área en expansión aguas abajo para acelerarlo aún más. Esta es la razón por la cual las boquillas se expanden y lo hacen de tal manera que logran una velocidad de salida deseada. En cuanto a la distribución de la presión interna dentro de la tobera supersónica, continúa cayendo a lo largo de la tobera aguas abajo de la garganta. Nuevamente, esto es opuesto a lo que sucede con el flujo subsónico. Las fuerzas de presión proporcionan algo de empuje, pero no mucho. El componente de presión del empuje es relativamente insignificante en comparación con la contribución del impulso del flujo acelerado. Y, por cierto, a excepción de los motores basados ​​​​en detonación, el flujo de entrada de la boquilla de cualquier motor (reactor o cohete) siempre es subsónico. se necesita un área en expansión aguas abajo para acelerarlo aún más. Esta es la razón por la cual las boquillas se expanden y lo hacen de tal manera que logran una velocidad de salida deseada. En cuanto a la distribución de la presión interna dentro de la tobera supersónica, continúa cayendo a lo largo de la tobera aguas abajo de la garganta. Nuevamente, esto es opuesto a lo que sucede con el flujo subsónico. Las fuerzas de presión proporcionan algo de empuje, pero no mucho. El componente de presión del empuje es relativamente insignificante en comparación con la contribución del impulso del flujo acelerado. Y, por cierto, a excepción de los motores basados ​​​​en detonación, el flujo de entrada de la boquilla de cualquier motor (reactor o cohete) siempre es subsónico. continúa cayendo a lo largo de la boquilla aguas abajo de la garganta. Nuevamente, esto es opuesto a lo que sucede con el flujo subsónico. Las fuerzas de presión proporcionan algo de empuje, pero no mucho. El componente de presión del empuje es relativamente insignificante en comparación con la contribución del impulso del flujo acelerado. Y, por cierto, a excepción de los motores basados ​​​​en detonación, el flujo de entrada de la boquilla de cualquier motor (reactor o cohete) siempre es subsónico. continúa cayendo a lo largo de la boquilla aguas abajo de la garganta. Nuevamente, esto es opuesto a lo que sucede con el flujo subsónico. Las fuerzas de presión proporcionan algo de empuje, pero no mucho. El componente de presión del empuje es relativamente insignificante en comparación con la contribución del impulso del flujo acelerado. Y, por cierto, a excepción de los motores basados ​​​​en detonación, el flujo de entrada de la boquilla de cualquier motor (reactor o cohete) siempre es subsónico.

Sin embargo, esta declaración sobre la expansión de la boquilla es lo suficientemente correcta para esta audiencia:

Al diseñar la tobera de los cohetes reales, se debe lograr un equilibrio; a menor altitud, la presión atmosférica es mayor, por lo que la mejor forma de boquilla se ensancharía menos que una boquilla para usar en el espacio.