¿Qué hace que el motor de vacío Merlin sea tan profundamente acelerable?

Tiene razón, es la presión atmosférica al nivel del mar la que limita la configuración mínima de potencia en los motores Merlin arrancados en tierra. A presión atmosférica, el escape solo puede expandirse en exceso hasta un punto antes de que el motor comience a producir un empuje negativo o cargas de empuje oscilantes muy fuertes (debido a la separación del escape de las paredes de la boquilla) que pueden cargar el motor más allá de la vida de fatiga de la boquilla. marcos de pared y de empuje.

Para ayudarlo a comprender dónde está el punto de cruce, aquí hay algunos cálculos matemáticos para comprender la dinámica del gas dentro de la boquilla. Esencialmente, la boquilla es un acelerador que convierte la presión estática omnidireccional en velocidad direccional. En el vacío, no hay nada que empuje contra el escape, por lo que, en teoría, esta expansión puede llevarse al máximo donde la presión estática del escape es cero. Sin embargo, dentro de la atmósfera, el aire exterior empuja contra el flujo de escape. Siempre que la presión estática del escape sea más alta que la atmosférica, el flujo se acelera; sin embargo, una vez que el flujo se expande más allá de la presión atmosférica, la presión atmosférica comienza a ralentizar el escape. Esto no importaría tanto si el flujo en el escape fuera uniformemente alto. Sin embargo, esto no sucede debido a algo llamado capa límite. Una capa límite es una capa delgada de fluido a lo largo de una pared que lleva el flujo desde la velocidad máxima de escape hasta cero en la pared. Es aquí donde comienzan los problemas de separación de la pared de escape, porque este flujo comienza a disminuir y luego se invierte después de que la presión estática del flujo de la boquilla cae por debajo de la atmosférica. Esta inversión de flujo luego comienza a levantar el flujo de gas fuera de la pared. Ahora, debido a la viscosidad, este flujo de gas sentirá fuerzas de cizallamiento, que generarán remolinos en la capa de gas. Estos remolinos actúan como bombas de barrido, ayudando a que el flujo de gas regrese a la pared. Sin embargo, debido a que el gas tiene masa, este arañazo irá demasiado lejos, alternando entre golpear la pared y levantarse lejos de la pared cada vez, lo que provocará que comience una oscilación. Debido a que la relación entre la velocidad del flujo y la viscosidad del flujo es realmente alta (esto se llama Número de Reynolds),

Un diseñador tiene dos opciones aquí para garantizar que esta oscilación se mantenga manejable: 1) Minimizar la longitud de la boquilla para que la oscilación no tenga la posibilidad de crecer demasiado y generar enormes cargas laterales. 2) Dé forma a la boquilla correctamente para levantar el flujo de gas ligeramente de la pared para acelerarlo al reducir la fricción experimentada por el flujo.

La opción 1 es factible hasta cierto punto, porque el flujo aún tendrá que girarse, y eso tiene que hacerse de manera algo gradual para evitar la formación de ondas de choque dentro de la boquilla. La boquilla de campana desarrollada por Rocketdyne en los años 60 sigue siendo el mejor diseño para esto, pero algunos diseños de boquillas aerospike prometen reducir aún más la longitud.

La opción 2 es donde se han realizado muchos avances utilizando dinámicas de gas inestables. Se ha descubierto una clase de formas que estructuran la capa límite de tal manera que forman una serie de rodillos de fluido detrás de los escalones orientados hacia atrás que levantan el flujo de la pared y permiten que se acelere, lo que ayuda a retrasar el punto donde se produce la inversión del flujo. empieza.

Ahora, si desea evitar los motores dañados por los que tendrá que pasar durante las pruebas, es mejor evitar este problema por completo. Por lo tanto, es mejor operar los motores a plena potencia o cerca de ella (es decir, presión de cámara completa) que estrangularlos profundamente dentro de la atmósfera. Esta es probablemente la razón por la cual el motor Merlin tiene un rango de potencia más pequeño en la atmósfera que en el exterior porque SpaceX no quería gastar tiempo y dinero en trabajar en la geometría de la boquilla a través de pruebas de motores estáticos.