Bocal do motor de foguete - Rocket engine nozzle

Figura 1: Um bico de Laval, mostrando a velocidade aproximada do fluxo aumentando de verde para vermelho na direção do fluxo
Bocal no primeiro estágio de um foguete RSA-3

Um bico de motor de foguete é um bico de propulsão (geralmente do tipo de Laval ) usado em um motor de foguete para expandir e acelerar produtos de combustão a altas velocidades supersônicas .

Simplesmente: propelentes pressurizados por bombas ou gás de expansão de alta pressão em qualquer lugar entre duas a várias centenas de atmosferas são injetados em uma câmara de combustão para queimar, e a câmara de combustão leva a um bico que converte a energia contida em produtos de combustão de alta pressão e alta temperatura em energia cinética, acelerando o gás a alta velocidade e próxima à pressão ambiente.

História

O bico de Laval foi originalmente desenvolvido no século 19 por Gustaf de Laval para uso em turbinas a vapor . Foi usado pela primeira vez em um motor de foguete desenvolvido por Robert Goddard , um dos pais dos foguetes modernos. Desde então, tem sido usado em quase todos os motores de foguetes, incluindo a implementação de Walter Thiel , que tornou possível o foguete V-2 da Alemanha .

Uso atmosférico

O tamanho ideal de um bico de motor de foguete a ser usado na atmosfera é alcançado quando a pressão de saída é igual à pressão ambiente (atmosférica), que diminui com o aumento da altitude. Para foguetes que viajam da Terra para a órbita, um projeto de bico simples é ideal apenas em uma altitude, perdendo eficiência e desperdiçando combustível em outras altitudes.

Logo após a garganta, a pressão do gás é maior do que a pressão ambiente e precisa ser reduzida entre a garganta e a saída do bico por expansão. Se a pressão da exaustão que sai da saída do bocal ainda estiver acima da pressão ambiente, diz-se que o bocal está subexpandido ; se o escapamento estiver abaixo da pressão ambiente, ele é superexpandido .

Uma ligeira superexpansão causa uma ligeira redução na eficiência, mas por outro lado causa poucos danos. No entanto, se a pressão de saída for inferior a aproximadamente 40% da pressão ambiente, ocorre a "separação do fluxo". Isso pode causar instabilidades de escape que podem causar danos ao bico, dificuldades de controle do veículo ou do motor e, em casos mais extremos, a destruição do motor.

Em alguns casos, é desejável por razões de confiabilidade e segurança acionar um motor de foguete no solo que será usado durante todo o trajeto até a órbita. Para obter o desempenho ideal de decolagem , a pressão dos gases que saem do bico deve estar no nível do mar quando o foguete estiver próximo ao nível do mar (na decolagem). No entanto, um bico projetado para operação no nível do mar perderá rapidamente a eficiência em altitudes mais elevadas. Em um projeto de vários estágios , o motor de foguete de segundo estágio é projetado principalmente para uso em grandes altitudes, apenas fornecendo empuxo adicional após o motor de primeiro estágio realizar a decolagem inicial. Nesse caso, os projetistas geralmente optam por um projeto de bico superexpandido (ao nível do mar) para o segundo estágio, tornando-o mais eficiente em altitudes mais elevadas, onde a pressão ambiente é mais baixa. Esta foi a técnica empregada nos motores principais (SSMEs) superexpandidos (ao nível do mar) do ônibus espacial , que passaram a maior parte de sua trajetória acionada quase no vácuo, enquanto os dois foguetes sólidos eficientes ao nível do mar propiciaram a maioria dos o impulso de decolagem inicial. No vácuo do espaço, virtualmente todos os bicos estão subexpandidos porque para expandir totalmente o gás o bocal teria que ser infinitamente longo, como resultado, os engenheiros têm que escolher um projeto que aproveite a expansão extra (impulso e eficiência), embora também não adicionando peso excessivo e comprometendo o desempenho do veículo.

Uso de vácuo

Para bicos usados ​​no vácuo ou em altitudes muito elevadas, é impossível igualar a pressão ambiente; em vez disso, os bicos com proporção de área maior são geralmente mais eficientes. No entanto, um bico muito longo tem uma massa significativa, uma desvantagem por si só. Normalmente, é necessário encontrar um comprimento que otimize o desempenho geral do veículo. Além disso, conforme a temperatura do gás no bico diminui, alguns componentes dos gases de exaustão (como o vapor de água do processo de combustão) podem condensar ou mesmo congelar. Isso é altamente indesejável e deve ser evitado.

Bicos magnéticos têm sido propostos para alguns tipos de propulsão (por exemplo, Foguete de magnetoplasma de impulso específico variável , VASIMR), nos quais o fluxo de plasma ou íons é direcionado por campos magnéticos em vez de paredes feitas de materiais sólidos. Isso pode ser vantajoso, uma vez que o próprio campo magnético não pode derreter e as temperaturas do plasma podem atingir milhões de Kelvin . No entanto, muitas vezes existem desafios de design térmico apresentados pelas próprias bobinas, particularmente se bobinas supercondutoras são usadas para formar a garganta e os campos de expansão.

Bocal de Laval em 1 dimensão

Diagrama de um bico de Laval, mostrando a velocidade do fluxo (v) aumentando na direção do fluxo, com diminuições na temperatura (t) e na pressão (p). O número de Mach (M) aumenta de subsônico para sônico na garganta e supersônico.

A análise do fluxo de gás através dos bicos de Laval envolve uma série de conceitos e premissas simplificadoras:

  • O gás de combustão é considerado um gás ideal .
  • O fluxo de gás é isentrópico ; isto é, em entropia constante , como resultado da suposição de fluido não viscoso e processo adiabático .
  • A taxa de fluxo do gás é constante (isto é, estável) durante o período da queima do propelente .
  • O fluxo do gás não é turbulento e tem simetria axial da entrada do gás à saída do gás de exaustão (ou seja, ao longo do eixo de simetria do bico).
  • O fluxo é compressível porque o fluido é um gás.

Conforme o gás de combustão entra no bico do foguete, ele viaja em velocidades subsônicas . À medida que a garganta se contrai, o gás é forçado a acelerar até na garganta do bocal, onde a área da seção transversal é a menor, a velocidade linear torna-se sônica . Da garganta, a área da seção transversal aumenta, o gás se expande e a velocidade linear torna-se progressivamente mais supersônica .

A velocidade linear dos gases de escape que saem pode ser calculada usando a seguinte equação

Onde:

, temperatura absoluta do gás na entrada (K)
≈ 8314,5  J / kmol · K, constante da lei universal dos gases
, massa molecular ou peso do gás (kg / kmol)
, fator de expansão isentrópica
, capacidade de calor específico , sob pressão constante, do gás
, capacidade de calor específico, sob volume constante, de gás
, velocidade do gás na exaustão do bico (m / s)
, pressão absoluta de gás na exaustão do bico ( Pa )
, pressão absoluta de gás na entrada (Pa)

Alguns valores típicos da velocidade dos gases de escape v e para motores de foguete queimando vários propelentes são:

Como uma observação interessante, v e às vezes é referido como a velocidade ideal do gás de escapamento porque se baseia na suposição de que o gás de escapamento se comporta como um gás ideal.

Como um cálculo de exemplo usando a equação acima, suponha que os gases de combustão do propelente são: a uma pressão absoluta entrando no bico de p  = 7,0  MPa e saindo do escapamento do foguete a uma pressão absoluta de p e = 0,1  MPa; a uma temperatura absoluta de T = 3500  K; com um fator de expansão isentrópico de γ = 1,22 e uma massa molar de M  = 22 kg / kmol. Usar esses valores na equação acima resulta em uma velocidade de exaustão v e = 2.802 m / s ou 2,80 km / s que é consistente com os valores típicos acima.

A literatura técnica pode ser muito confusa porque muitos autores falham em explicar se eles estão usando a constante da lei universal dos gases R que se aplica a qualquer gás ideal ou se eles estão usando a constante da lei dos gases R s que se aplica apenas a um gás individual específico. A relação entre as duas constantes é R s = R / M , onde R é a constante universal do gás e M é a massa molar do gás.

Impulso específico

Empuxo é a força que move um foguete pelo ar ou espaço. O empuxo é gerado pelo sistema de propulsão do foguete através da aplicação da terceira lei do movimento de Newton: "Para cada ação há uma reação igual e oposta". Um gás ou fluido de trabalho é acelerado pela parte traseira do bico do motor do foguete e o foguete é acelerado na direção oposta. O impulso de um bico de motor de foguete pode ser definido como:

e para bicos perfeitamente expandidos ( p e = p o ), isso se reduz a:

O impulso específico é a relação entre o empuxo produzido e o fluxo de peso dos propelentes . É uma medida da eficiência de combustível de um motor de foguete. Em unidades de Engenharia Inglesa , pode ser obtido como

Onde:

, empuxo bruto do motor do foguete (N)
, taxa de fluxo de massa de gás (kg / s)
, velocidade do gás na exaustão do bico (m / s)
, pressão do gás na exaustão do bico (Pa)
, ambiente externo, ou fluxo livre, pressão (Pa)
, área da seção transversal da exaustão do bocal (m²)
, velocidade equivalente (ou efetiva) do gás na exaustão do bico (m / s)
, impulso (s) específico (s)
, gravidade padrão (ao nível do mar na Terra); aproximadamente 9,807 m / s 2

Em certos casos, onde é igual , a fórmula torna-se

Nos casos em que não seja assim, uma vez que para um bico de foguete é proporcional a , é possível definir uma quantidade constante que é o vácuo para qualquer motor dado:

e, portanto:

que é simplesmente o empuxo de vácuo menos a força da pressão atmosférica ambiente agindo sobre o plano de saída.

Essencialmente, então, para bicos de foguete, a pressão ambiente que atua no motor é cancelada, exceto sobre o plano de saída do motor de foguete na direção para trás, enquanto o jato de escape gera impulso para a frente.

Os bicos podem ser (de cima para baixo):
  • subexpandido
  • ambiente
  • superexpandido
  • grosseiramente superexpandido.
Se um bico estiver sub ou superexpandido, ocorrerá perda de eficiência em relação a um bico ideal. Bicos superexpandidos têm eficiência melhorada em relação a um bico subexpandido (embora ainda sejam menos eficientes do que um bico com a taxa de expansão ideal), no entanto, o jato de exaustão é instável.

Contrapressão aerostática e expansão ideal

À medida que o gás desce pela parte de expansão do bico, a pressão e a temperatura diminuem, enquanto a velocidade do gás aumenta.

A natureza supersônica do jato de exaustão significa que a pressão da exaustão pode ser significativamente diferente da pressão ambiente - o ar externo é incapaz de equalizar a pressão a montante devido à velocidade muito alta do jato. Portanto, para bicos supersônicos, é realmente possível que a pressão do gás que sai do bocal esteja significativamente abaixo ou muito acima da pressão ambiente.

Se a pressão de saída for muito baixa, o jato pode se separar do bico. Isso geralmente é instável e o jato geralmente causa grandes impulsos fora do eixo e pode danificar mecanicamente o bico.

Essa separação geralmente ocorre se a pressão de saída cair abaixo de aproximadamente 30-45% do ambiente, mas a separação pode ser atrasada para pressões muito mais baixas se o bico for projetado para aumentar a pressão na borda, como é alcançado com o SSME (1–2 psi a 15 psi ambiente).

Além disso, conforme o motor do foguete é acionado ou acelerado, a pressão da câmara varia, o que gera diferentes níveis de eficiência. Em baixas pressões de câmara, o motor quase inevitavelmente vai se expandir excessivamente.

Forma ótima

A razão entre a área da parte mais estreita do bico e a área do plano de saída é principalmente o que determina a eficiência com que a expansão dos gases de escapamento é convertida em velocidade linear, a velocidade de escapamento e, portanto, o impulso do motor de foguete. As propriedades do gás também têm efeito.

A forma do bico também afeta modestamente a eficiência com que a expansão dos gases de exaustão é convertida em movimento linear. O formato de bico mais simples tem um meio-ângulo de cone de ~ 15 °, que é cerca de 98% eficiente. Ângulos menores proporcionam eficiência ligeiramente maior, ângulos maiores proporcionam menor eficiência.

Formas de revolução mais complexas são freqüentemente usadas, como bicos de sino ou formas parabólicas. Estes fornecem uma eficiência talvez 1% maior do que o bico cônico e podem ser mais curtos e leves. Eles são amplamente usados ​​em veículos de lançamento e outros foguetes onde o peso é muito importante. Eles são, é claro, mais difíceis de fabricar, portanto, normalmente são mais caros.

Existe também uma forma de bico teoricamente ideal para a velocidade máxima de exaustão. No entanto, uma forma de sino mais curta é normalmente usada, o que dá melhor desempenho geral devido ao seu peso muito menor, comprimento mais curto, perdas de arrasto menores e velocidade de exaustão apenas marginalmente mais baixa.

Outros aspectos do projeto afetam a eficiência de um bico de foguete. A garganta do bico deve ter um raio liso. O ângulo interno que se estreita para a garganta também afeta a eficiência geral, mas é pequeno. O ângulo de saída do bico deve ser o menor possível (cerca de 12 °) para minimizar as chances de problemas de separação em baixas pressões de saída.

Designs avançados

Vários projetos mais sofisticados foram propostos para compensação de altitude e outros usos.

Bicos com um limite atmosférico incluem:

Cada um deles permite que o fluxo supersônico se adapte à pressão ambiente expandindo ou contraindo, alterando assim a razão de saída para que esteja na (ou próxima) pressão de saída ideal para a altitude correspondente. Os bocais de plugue e aerospike são muito semelhantes no sentido de que são projetos de fluxo radial, mas os bicos de plugue apresentam um corpo central sólido (às vezes truncado) e os bicos de aerospike têm um "sangramento de base" de gases para simular um corpo central sólido. Os bocais ED são bocais de fluxo de saída radiais com o fluxo desviado por um pino central.

Bicos de separação de fluxo controlado incluem:

Estes são geralmente muito semelhantes aos bicos injetores, mas incluem um inserto ou mecanismo pelo qual a proporção da área de saída pode ser aumentada conforme a pressão ambiente é reduzida.

Os bicos de modo duplo incluem:

  • bico expansor duplo,
  • bico de garganta dupla.

Eles têm duas gargantas ou duas câmaras de impulso (com gargantas correspondentes). A garganta central tem um design padrão e é circundada por uma garganta anular, que esgota os gases da mesma (garganta dupla) ou de uma câmara de impulso separada (expansor duplo). Ambas as gargantas, em qualquer caso, descarregariam em um bocal de sino. Em altitudes mais elevadas, onde a pressão ambiente é mais baixa, o bocal central seria desligado, reduzindo a área da garganta e, assim, aumentando a proporção da área do bocal. Esses projetos exigem complexidade adicional, mas uma vantagem de ter duas câmaras de empuxo é que elas podem ser configuradas para queimar diferentes propelentes ou diferentes proporções de mistura de combustível. Da mesma forma, a Aerojet também projetou um bocal chamado "Bocal Aumentado de Impulso", que injeta propelente e oxidante diretamente na seção do bocal para combustão, permitindo que bicos de razão de área maior sejam usados ​​mais profundamente em uma atmosfera do que fariam sem aumento devido aos efeitos de separação de fluxo. Eles permitiriam novamente o uso de vários propelentes (como RP-1), aumentando ainda mais o empuxo.

Os bicos de vetorização de empuxo com injeção de líquido são outro projeto avançado que permite o controle de inclinação e guinada a partir de bicos sem cardan. O PSLV da Índia chama seu projeto de "Sistema de controle vetorial de impulso de injeção secundária"; o perclorato de estrôncio é injetado através de vários caminhos de fluido no bico para obter o controle desejado. Alguns ICBMs e boosters, como o Titan IIIC e o Minuteman II , usam designs semelhantes.

Veja também

Referências

links externos