La tobera de expansión-deflexión es una tobera de cohete que logra una compensación de altitud a través de la interacción de los gases de escape con la atmósfera, de forma muy similar a las toberas de tapón y de aerospike .
Parece muy similar a una tobera de campana estándar , pero en la garganta hay un "cuerpo central" o "pivote" que desvía el flujo hacia las paredes. El gas de escape fluye más allá de este en una dirección más hacia afuera que en las toberas de campana estándar mientras se expande antes de girar hacia la salida. Esto permite boquillas más cortas que el diseño estándar mientras se mantienen las relaciones de expansión de la boquilla. Debido al límite atmosférico, la presión atmosférica afecta la relación del área de salida de modo que se puede obtener una compensación atmosférica hasta el máximo geométrico permitido por la boquilla específica.
La boquilla funciona en dos modos distintos: abierta y cerrada. En el modo de estela cerrada, los gases de escape llenan toda la zona de salida de la boquilla. La presión ambiental a la que la estela cambia de modo abierto a cerrado se denomina presión de diseño. Si la presión ambiental se reduce aún más, se producirá una expansión adicional fuera de la boquilla, de forma muy similar a una boquilla de campana estándar, y no se obtendrá ningún efecto de compensación de altitud. En el modo de estela abierta, el área de salida depende de la presión ambiental y los gases de escape salen de la boquilla como un anillo, ya que no llenan toda la boquilla. Debido a que la presión ambiental controla el área de salida, la relación de área debería compensar perfectamente la altitud hasta la presión de diseño.
Si el pivote está diseñado para moverse a lo largo de su eje de rotación, se puede variar el área de la garganta. Esto permitiría una regulación eficaz, manteniendo al mismo tiempo la presión de la cámara. [1]
Al igual que las toberas aerospike y plug, si se utilizaran cámaras de combustión modulares en lugar de una única cámara de combustión, entonces se podría lograr la vectorización del empuje estrangulando el flujo a varias cámaras.
La tobera ED se conoce desde los años 60 y ha habido varios intentos de desarrollarla, y varios de ellos han llegado al nivel de las toberas de encendido estático. Entre ellas se encuentran la 'Expansion-Deflection 50k' [2] (Rocketdyne), la 'Expansion-Deflection 10k' [3] ( Rocketdyne ) y la RD-0126 [4] (CADB). Rocketdyne también desarrolló una tercera tobera ED más pequeña. [5] [ página necesaria ]
Rocketdyne llevó a cabo su trabajo durante un aumento inicial de interés en la década de 1960, desarrollando inicialmente la tobera ED 50k, que tenía una presión de cámara de 20,7 bar (2,07 MPa) que proporcionaba un empuje de 50.000 lbf (220 kN) y no estaba refrigerada, lo que permitía probarla durante un par de segundos a la vez. [5] [ página necesaria ] La tobera ED 10k tenía una presión de cámara de 15,5 bar (1,55 MPa) que proporcionaba 10.000 lbf (44 kN), una cámara de empuje refrigerada y se probó en una instalación de simulación de altitud. [5] [ página necesaria ] La tobera ED más pequeña desarrollaba 9.900 lbf (44 kN) y también se utilizó para probar la capacidad de compensación de altitud. Estas pruebas confirmaron una ventaja de rendimiento sobre las toberas de campana equivalentes. [5] [ página necesaria ]
La boquilla ED de Chemical Automatics Design Bureau se enfrió por completo y se utilizó para pruebas de fuego caliente en 1998. Su cuerpo central alberga la cámara de combustión (muy similar al diseño de Astrium mencionado a continuación), lo que permite una reducción en la longitud, más allá de la del contorno mejorado.
Wickman Spacecraft & Propulsion Company ha desarrollado y probado estáticamente un motor sólido junto con un ED. [6]
La Universidad de Bristol , en el Reino Unido, ha probado recientemente con éxito propulsores de hidrógeno gaseoso/aire como parte del proyecto STERN. También está involucrada en el desarrollo de conocimientos sobre el comportamiento en vuelo de la tobera ED utilizando un motor de cohete híbrido. [7]
Mientras continúan las investigaciones sobre esta tobera, podría utilizarse antes de que se desarrollen todas sus ventajas. Como etapa superior, donde se utilizaría en un entorno de baja presión ambiental/vacío, específicamente en modo de estela cerrada, una tobera ED ofrecería reducciones de peso, reducciones de longitud y un posible aumento del impulso específico en comparación con las toberas de campana (dependiendo del ciclo del motor), lo que permitiría mayores cargas útiles. Un estudio sugiere que podría agregar 180 kg (400 lb) adicionales a la carga útil de un Ariane 5 en comparación con el nuevo motor Vinci , siempre que también sea un ciclo de expansión. Una tobera de este tipo podría ponerse en servicio antes de que se desarrollaran sus capacidades de compensación de altitud. [8]
También se está investigando para el avión espacial Skylon de Reaction Engines . Su uso en un cohete de una sola etapa a órbita (SSTO) aprovecharía al máximo las capacidades de compensación de altitud de una tobera ED, lo que permitiría un aumento sustancial de la carga útil. Reaction Engines, Airborne Engineering y la Universidad de Bristol participan actualmente en el proyecto STERN (Static Test Expansion deflection Rocket Nozzle) [9] para evaluar las capacidades de la tobera ED y desarrollar la tecnología. [10] [11] [12]