Boquilla de motor de cohete

Una tobera de motor de cohete es una tobera propulsora (generalmente del tipo de Laval ) utilizada en un motor de cohete para expandir y acelerar los productos de combustión a altas velocidades supersónicas .

Sencillamente: los propulsores presurizados por bombas o gas vacío a alta presión entre dos y varios cientos de atmósferas se inyectan en una cámara de combustión para quemar, y la cámara de combustión conduce a una boquilla que convierte la energía contenida en productos de combustión a alta presión y temperatura . en energía cinética acelerando el gas a alta velocidad y presión cercana a la ambiental.

La boquilla de Laval fue desarrollada originalmente en el siglo XIX por Gustaf de Laval para su uso en turbinas de vapor . Se utilizó por primera vez en uno de los primeros motores de cohetes desarrollados por Robert Goddard , uno de los padres de los cohetes modernos. Desde entonces, se ha utilizado en casi todos los motores de cohetes, incluida la implementación de Walter Thiel , que hizo posible el cohete V-2 de Alemania.

El tamaño óptimo de la tobera de un motor de cohete que se utilizará dentro de la atmósfera se logra cuando la presión de salida es igual a la presión ambiental (atmosférica), que disminuye con el aumento de la altitud. Para los cohetes que viajan de la Tierra a la órbita, un diseño de tobera simple solo es óptimo en una altitud, perdiendo eficiencia y desperdiciando combustible en otras altitudes.

Justo después de pasar la garganta, la presión del gas es más alta que la presión ambiental y debe reducirse entre la garganta y la salida de la boquilla por expansión. Si la presión de los gases de escape que salen de la salida de la tobera todavía está por encima de la presión ambiental, se dice que la tobera está subexpandida ; si el escape está por debajo de la presión ambiental, entonces está sobreexpandido . ^[1]

Una ligera sobreexpansión provoca una ligera reducción en la eficiencia, pero por lo demás hace poco daño. Sin embargo, si la presión de salida es inferior a aproximadamente el 40 % de la del ambiente, se produce una "separación del flujo". Esto puede provocar inestabilidades en el escape que pueden provocar daños en la boquilla, dificultades de control del vehículo o del motor y, en casos más extremos, la destrucción del motor.

Figura 1: Una boquilla de Laval, que muestra la velocidad aproximada del flujo que aumenta de verde a rojo en la dirección del flujo

Boquilla en la primera etapa de un cohete RSA-3

Diagrama de una boquilla de Laval, que muestra la velocidad del flujo (v) aumentando en la dirección del flujo, con disminuciones en la temperatura (t) y la presión (p). El número de Mach (M) aumenta de subsónico, a sónico en la garganta, a supersónico.

Las boquillas pueden ser (de arriba a abajo):

• subexpandido
• ambiente
• sobreexpandido
• enormemente sobreexpandido.

Si una boquilla está subexpandida o sobreexpandida, se produce una pérdida de eficiencia en relación con una boquilla ideal. Las boquillas muy sobreexpandidas tienen una eficiencia mejorada en relación con una boquilla subexpandida (aunque aún son menos eficientes que una boquilla con la relación de expansión ideal), sin embargo, el chorro de escape es inestable. ^[8]