Ugelli usati in razzi

Ugelli usati in razzi

L'ugello è il componente di un motore a razzo che produce spinta. Ciò avviene convertendo l'energia termica dei gas camera calda in energia cinetica e dirigere quell'energia lungo asse dell'ugello tramite un'attenta di compressione ed espansione. Il tasso e il mezzo attraverso il quale questi gas vengono espansi è che cosa differenziare i diversi tipi di progettazione dell'ugello.

Conica

Un ugello che ha pareti che divergono ad angolo costante sono denominati "conico" ugelli. Nei primi giorni di ricerca sulle prestazioni del motore a razzo, di forma conica ugelli sono stati utilizzati quasi esclusivamente, a causa della loro semplicità e la facilità di fabbricazione. Un angolo più stretto, più piccolo di apertura massimizza la componente assiale della velocità di uscita del razzo, che a sua volta aumenta la spinta complessiva. Questo, tuttavia, comporta un ugello che è molto più pesante e difficile da costruire. Se l'angolo è troppo larga, alta pressione ambiente causa sopra espansione e separazione di flusso, riducendo le prestazioni del motore.

Bell

Nel tempo, gli scienziati e gli ingegneri commutati a ugelli più a forma di campana per le loro prestazioni superiori con una lunghezza inferiore, che sono perché sono il più spesso utilizzato tipo di ugello del razzo. Vicino alla gola (il punto più stretto dell'ugello), l'ugello si dirama da un angolo relativamente grande per raggiungere rapida espansione, che conduce ad un flusso uniforme, assialmente regia all'ugello di uscita. Il grado di divergenza diminuisce gradualmente con il progredire di gas caldi a valle fino al piano di uscita, dove l'angolo è molto piccola. In questo modo, la campana è un compromesso tra i due estremi dell'ugello conico, minimizzando il peso sia ancora massimizzando le prestazioni. Inoltre, il lento contorno della parete aiuta a prevenire urti obliqui che formano all'interno del motore. Delle principali debolezze negli ugelli campana, tuttavia, è che essi possono solo raggiungere prestazioni ottimali a una quota fissa e pressione ambiente.

Anulare radiale fuori-flusso

Gli ugelli anulare o "spina" sono un tentativo di creare ugelli che compensa le variazioni nella pressione ambiente come variazioni di altitudine. Non è spesso visto di fuori della ricerca a causa dell'intrinseca complessità che un tale sistema richiede. In questo tipo di ugello, combustione avviene lungo un anello, o anulus, intorno alla base del corpo centrale o "spina", che blocca il flusso da ciò che sarebbe la parte centrale di una campana o ugello conico.

Ugelli anulari sono ulteriormente suddivise in due sottoclassi di ugelli, distinti dal metodo in cui si espandono i gas di scarico (verso l'esterno o verso l'interno). Esempi di fuori-portata ugelli sono l'espansione-deflessione (E-D), flusso inverso (R-F) e ugelli a flusso orizzontale (H-F), ognuno con il nome per il loro funzionamento. L'ugello E-D funziona come un ugello di campana, costringendo i gas di scarico in una regione di gola convergenti prima di espandersi ancora. Il flusso, tuttavia, viene deviato da una centerbody che costringe questi gas lontano dal centro dell'ugello e verso l'esterno. L'ugello di R-F inietta il carburante da sotto, ma i gas di scarico sono poi ruotati di 180 gradi, invertendo così la loro direzione. Analogamente, il carburante nell'ugello H-F viene iniettato lateralmente, ma lo scarico viene poi ruotato di 90 gradi.

A flusso radiale anulare

Ugelli anulari che dirigono che il flusso verso l'interno, o ugelli "spike", spesso li espellono sopra la superficie di un centerbody sotto forma di una punta ricurva, essenzialmente dandogli la forma di un ugello di campana girato dentro-fuori. Numerose variazioni su questo disegno sono stati sperimentati con, tra cui un tradizionale picco curvo con espansione supersonica completamente esterno, una forma simile in cui parte dell'espansione si verifica internamente e un design simile all'ugello E-D in cui tutte le espansione avviene internamente. Ognuno di questi disegni ancora caratteristiche un picco curvo al suo centro per permettere lo scarico di gas di espandersi attraverso un processo isentropic, o entropia costante. Questo, a sua volta massimizza l'efficienza e diminuisce le perdite di energia sopra una gamma di altitudini. L'ultimo tipo di motore nel flusso che ha visto tanto studio e ricerca utilizza una base piatta, troncata al posto di spike. Ciò provoca una circolazione del flusso secondario che interagisce con i gas di scarico del motore, quindi crea un "aerospike," da cui questa classe speciale dell'ugello prende il nome.