¿Cuánta eficiencia se pierde con una boquilla De Laval fija cuando se modifica para uso atmosférico?

Las boquillas fijas diseñadas para vacío son más grandes/más anchas que las diseñadas para uso atmosférico o aire/espacio combinado, que tienen menos boquillas con bridas debido al arrastre en el que incurriría una brida más grande en la atmósfera.

¿Cuánta eficiencia se concede al reducir la brida de la boquilla para uso en lanzamiento desde tierra, en comparación con una boquilla diseñada para usar puramente en (casi) vacío?

Editar:

Reformulando la pregunta:

¿Cuánto menos eficiente es una boquilla fija diseñada para una eficiencia óptima de lanzamiento a nivel del mar cuando se usa en vacío en comparación con una boquilla fija diseñada para una eficiencia óptima en vacío?

Creo que esto es un duplicado de esta pregunta: space.stackexchange.com/questions/14820/…
@OrganicMarble Eso parece ser al revés, sobreexpandido en lugar de la subexpansión que tendrá una boquilla optimizada para la atmósfera en el espacio.
Misma ecuacion no?
La optimización del tamaño de la boquilla no está relacionada con el arrastre.
El asunto mencionado en la pregunta vinculada como un duplicado es 'potencial sin explotar en el gas antes de salir de la boquilla' cuando están subexpandidos. Aunque la ecuación es la misma, parece un fenómeno físico diferente a las boquillas sobreexpandidas. Entonces, me gustaría recibir más aportes de personas con más conocimientos, pero me inclino por dejar esto abierto.
@organic No creo que sea un engaño: he editado la pregunta para simplificarla y reducirla.
@kim He agregado una versión alternativa y limitada de la pregunta que creo que está preguntando lo mismo

Respuestas (2)

Podemos usar la ecuación

F = q V mi + ( PAG mi − PAG a ) A mi

Donde PAG mi es la presión del plano de salida, PAG a es la presión ambiental, y A mi es el área del plano de salida. q V mi sin el término de corrección da el empuje cuando la presión del plano de salida coincide con la ambiental. Aquí q es flujo másico y V mi es la velocidad de salida.

Para una boquilla optimizada para el nivel del mar, PAG mi = PAG a por lo que no hay pérdida de empuje por efecto de la presión del plano de salida en el despegue.

Una vez que el vehículo llega al vacío, el término entre paréntesis sería igual a PAG mi . Según la ecuación, puede ver que esto da un empuje adicional igual al producto de PAG mi A mi . Sin embargo, este escape estaría muy subexpandido y experimentaría pérdidas debido a un patrón de ondas de expansión en la salida de la boquilla.

Una foto de aqui

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La subexpansión es inevitable ya que se necesitaría una boquilla De Laval infinitamente larga para que la presión del plano de salida llegue a cero. (Esto significa que su "boquilla fija diseñada para una eficiencia óptima en el vacío" es siempre un compromiso: se corta debido al peso, consideraciones de empaque, etc.) La expansión insuficiente también es más deseable que la expansión excesiva que puede resultar en la separación del flujo y graves pérdidas por impacto, de ahí el uso de boquillas de doble campana y otros esquemas para tratar de igualar mejor el plano de salida y las presiones ambientales. Si estos esquemas sofisticados no son prácticos, se utiliza alguna presión de plano de salida de diseño de compromiso.

La presentación vinculada hace un gran trabajo al explicar todo esto con ejemplos del mundo real y estrategias de mitigación.

¿No debería ser PAG mi en el tercer párrafo, no PAG a ?
Pe = Pa (si Pa = nivel del suelo P) pero su sugerencia es más clara, editando.

Esto podría ser un duplicado como sugiere Organic Marble. Pero creo que hay un concepto erróneo sobre la boquilla Laval. El propósito de la boquilla es lograr el equilibrio de presión entre los gases de escape y la presión circundante.

Si no están en equilibrio, se pierde empuje.

Piense en la presión circundante como un anillo conectado directamente a la boquilla. Si el anillo es más pequeño que la boquilla, se pierde energía para moverse alrededor del anillo, si es más grande, se pierde energía llenando el espacio entre la boquilla y el anillo.

Dado que se necesitan toberas más grandes para entornos de menor presión, la mayor resistencia de una tobera mayor que el cuerpo del cohete nunca ocurriría si se diseñara para la eficiencia de los gases de escape.

¿Cuánta eficiencia se pierde con una boquilla De Laval fija cuando se modifica para uso atmosférico?
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