La boquilla de expansión-deflexión es una boquilla de cohete que logra una compensación de altitud mediante la interacción de los gases de escape con la atmósfera, de manera muy similar a las boquillas de tapón y aerospike .
Se parece mucho a una boquilla de campana estándar , pero en la garganta hay un "cuerpo central" o "pinza" que desvía el flujo hacia las paredes. Los gases de escape fluyen más hacia afuera que en las toberas de campana estándar, mientras se expanden antes de girar hacia la salida. Esto permite boquillas más cortas que el diseño estándar y al mismo tiempo mantiene las relaciones de expansión de las boquillas. 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 el área de salida de la boquilla. La presión ambiental a la que la estela cambia de modo abierto a modo cerrado se denomina presión de diseño. Si la presión ambiental se reduce aún más, se producirá una expansión adicional fuera de la boquilla, muy parecida 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 el gas de escape sale de la boquilla en forma anular, ya que no llena toda la boquilla. Debido a que la presión ambiental controla el área de salida, la relación del área debe 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 estrangulación efectiva, manteniendo al mismo tiempo la presión de la cámara. [1]
Al igual que las boquillas aerospike y de tapón, si se usaran cámaras de combustión modulares en lugar de una sola cámara de combustión, entonces se podría lograr la vectorización del empuje estrangulando el flujo a varias cámaras.
La boquilla ED se conoce desde la década de 1960 y ha habido varios intentos de desarrollarla, y varios de ellos alcanzaron el nivel de disparos en caliente estáticos. Estos incluyen el 'Expansion-Deflection 50k' [2] (Rocketdyne), el 'Expansion-Deflection 10k' [3] ( Rocketdyne ) y el RD-0126 [4] (CADB). Rocketdyne también desarrolló una tercera boquilla 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 boquilla ED 50k, que tenía una presión en la cámara de 20,7 bar (2,07 MPa) y entregaba un empuje de 50.000 lbf (220 kN) y no estaba refrigerada, lo que le permitía para ser probado durante un par de segundos a la vez. [5] [ página necesaria ] La boquilla ED 10k tenía una presión en la cámara de 15,5 bar (1,55 MPa) que entregaba 10 000 lbf (44 kN), una cámara de empuje enfriada y se probó en una instalación de simulación de altitud. [5] [ página necesaria ] La boquilla ED más pequeña desarrolló 9900 lbf (44 kN) y también se utilizó para probar la capacidad de compensación de altitud. Estas pruebas confirmaron una ventaja de rendimiento sobre las boquillas de campana equivalentes. [5] [ página necesaria ]
La boquilla ED de Chemical Automatics Design Bureau se enfrió completamente y se utilizó para pruebas de fuego caliente en 1998. Su cuerpo central alberga la cámara de combustión (muy parecida al diseño de Astrium que se menciona a continuación), lo que permite una reducción de longitud, más allá del contorno mejorado.
Wickman Spacecraft & Propulsion Company ha desarrollado y probado estáticamente un motor sólido junto con un ED. [6]
La Universidad de Bristol , Reino Unido, recientemente [ ¿cuándo? ] probó con éxito propulsores gaseosos de hidrógeno/aire como parte del proyecto STERN. También participan en el desarrollo de conocimientos sobre el comportamiento en vuelo de la boquilla ED utilizando un motor de cohete híbrido. [7]
Mientras continúa la investigación sobre esta boquilla, podría utilizarse antes de que se desarrollen todas sus ventajas. Como etapa superior, donde se usaría en un entorno de vacío/presión ambiental baja, específicamente en modo de estela cerrada, una boquilla ED ofrecería reducciones de peso, reducciones de longitud y un aumento potencial del impulso específico sobre las boquillas de campana (dependiendo del ciclo del motor). ) permitiendo mayores cargas útiles. Un estudio sugiere que podría agregar 180 kg (400 lb) adicionales a la carga útil de un Ariane 5 con respecto al nuevo motor Vinci , siempre que también sea un ciclo expansor. Una boquilla de este tipo podría ponerse en servicio antes de que se desarrollaran sus capacidades de compensación de altitud. [8]
También se está investigando el avión espacial Skylon con motores de reacción . El empleo en un cohete de etapa única a órbita (SSTO) utilizaría plenamente las capacidades de compensación de altitud de una boquilla ED, lo que permitiría un aumento sustancial en la carga útil. Reaction Engines, Airborne Engineering y la Universidad de Bristol participan actualmente en el proyecto STERN (Static Test Expansion deflection Rocket Boquilla) [9] para evaluar las capacidades de la boquilla ED y desarrollar la tecnología. [10] [11] [12]