Bocal

Um bocal ( bocal de propulsão na área do Astronáutico ) é um duto de seção transversal variável na parte traseira de um motor que produz gases de combustão quente que convertem sua energia térmica em energia cinética . Para atingir este objetivo e dependendo do contexto de implementação, um bico pode ser convergente, divergente ou incluir uma seção convergente e outra divergente ( bico Laval ). Em particular, existem bocais na parte traseira dos motores a jato que equipam aviões e em motores de foguetes que impulsionam mísseis e lançadores .

Princípio da Operação

O objetivo de um bico é aumentar a energia cinética do fluido que o atravessa, ou seja, sua velocidade, transformando sua energia interna, ou seja, sua temperatura.

O princípio de funcionamento de um bico é baseado nas propriedades dos gases quando circulam em velocidades subsônicas e supersônicas. Quando um gás flui a uma velocidade subsônica através de um tubo com diâmetro estreito, sua velocidade aumenta. No entanto, a velocidade do gás não pode exceder a do som (Mach 1). De fato, em um regime de fluxo supersônico (velocidade maior que a velocidade do som) o comportamento do gás é inverso: para que sua velocidade aumente, o diâmetro do tubo deve aumentar. Este comportamento do gás é baseado no princípio da aceleração do gás descrito pela equação de Hugoniot :

{\ frac {dS} {S}} = (M ^ {2} -1) {\ frac {dv} {v}}

S é a área da seção transversal do duto, v a velocidade e M o número de Mach $M = v / c$

Um bico pode ser convergente, divergente ou convergente e divergente:

Um bico convergente torna possível acelerar os gases que circulam em velocidades subsônicas. Se a pressão for suficiente, a velocidade pode chegar a Mach 1 na saída do bico, mas não pode ultrapassar este valor.
Um bico divergente torna possível acelerar gases que já estão em velocidade supersônica na entrada dos mesmos.
Um bocal convergente e divergente ( bocal Laval ) cujas características são desenvolvidas a seguir.

Caixa do bico Laval

Um bico Laval torna possível acelerar gases de uma velocidade subsônica para uma velocidade supersônica, combinando os dois efeitos descritos acima. Os gases são acelerados para Mach 1 na seção convergente do bocal e, em seguida, são acelerados acima de Mach 1 na seção divergente. Um bico Laval, portanto, tem três subconjuntos:

convergir
o pescoço onde o diâmetro da seção é mínimo
a parte divergente que pode ter a forma de um cone ou de um sino ou pode consistir nas pás no caso de uma turbina a gás .

Velocidade dos gases expelidos: caso de um motor de foguete

Quanto maior a velocidade dos gases expelidos, mais eficiente é a conversão da energia interna em energia cinética. No caso de um motor de foguete , os gases são produzidos pela combustão de propelentes em condições de alta pressão. A velocidade dos gases expelidos é calculada usando a seguinte equação:

v_ {e} = {\ sqrt {{\ frac {TR} {M}} \ cdot {\ frac {2 \ gamma} {\ gamma -1}} \ cdot \ left [1- \ left ({\ frac { p_ {e}} {p}} \ right) ^ {{{\ frac {\ gamma -1} {\ gamma}}}} \ right]}}

com:
$v_e$	= Velocidade dos gases na saída do bico em m / s
$T$	= Temperatura na entrada do bico
$R$	= Constante universal de gases ideais
$M$	= Massa molecular do gás em kg / kmol
$\gama$	= = Coeficiente adiabático ${\ frac {c_ {p}} {c_ {v}}}$
$c_p$	= Capacidade térmica do gás a pressão constante
$cv$	= Capacidade de calor do gás em volume constante
$educaçao Fisica}$	= Pressão do gás na saída do bico
$p$	= Pressão do gás na entrada do bico

A velocidade resultante pode ser otimizada por meio de três parâmetros:

A temperatura na câmara de combustão
A relação entre a pressão na entrada e saída do bico
Os tipos de propelentes queimados (massa molecular dos gases de combustão)

Exemplos

O único desses parâmetros que depende das características do bico é a relação de pressão. Podemos ilustrar sua influência no caso de um motor queimando uma mistura de oxigênio / hidrogênio com pressão interna de 115 bar (caso do motor Vulcain 2 do Ariane 5 ): com a = 1,2 a velocidade do gás cai em aproximadamente 14% se o a pressão de saída é de 5 bar em vez de 1 bar. $\gama$

Na prática, as velocidades dos gases queimados estão dentro das seguintes faixas:

1.700 a 2.900 m / s para motores de foguete monopropelentes líquidos
2.900 a 4.500 m / s para motores de foguete de combustível líquido
2100 a 3200 m / s para motores de propelente sólido

As diferenças na velocidade de ejeção estão ligadas à escolha dos propelentes (reações químicas mais ou menos exotérmicas e, portanto, mais ou menos altas temperaturas), à pressão na câmara de combustão, ao ciclo de combustão escolhido (maior ou menor perda) e ao comprimento da porção divergente (expansão de gás ideal).

Áreas de aplicação dos bicos

Os bicos encontram vários tipos de aplicação:

O bico do motor a jato de um avião ou o motor de foguete de um foguete contribui para a força propulsora ou força de reação pela expansão dos gases quentes produzidos pela combustão dos propelentes.
No caso de uma turbina a gás , os gases produzidos pela combustão permitem o acionamento do eixo de um alternador que fornece energia elétrica. A energia do fluido é transformada em energia mecânica. As lâminas desempenham o papel de divergentes. O fluido pode ser água de uma barragem fornecida por um tubo de alta pressão ou água do circuito secundário de um reator nuclear levado a temperatura / pressão muito alta.
O princípio do bico também é usado nos bicos da parte central de injetores ou pulverizadores .

Bocal do motor de foguete

Função e operação do bico do motor de foguete

O motor de foguete é o sistema de propulsão que os foguetes usam para acelerar a velocidades hipersônicas enquanto podem operar no vácuo, ou seja, sem ter que extrair o oxidante da atmosfera. Os propelentes armazenados a bordo queimam em uma câmara de combustão e os gases produzidos são acelerados por um bico Laval . Eles produzem um impulso que aumenta a velocidade do foguete de acordo com a lei de conservação do momento . O bico desempenha um papel central na eficiência dessa propulsão, convertendo a energia térmica e a pressão do gás resultante da combustão em energia cinética . Os gases são ejetados a uma velocidade de até 2.000 a 4.000 m / s, enquanto a temperatura e a pressão caem drasticamente entre a câmara de combustão e a saída da parte divergente do bico.

O aumento da velocidade dos gases na parte divergente é tanto mais importante quanto a relação entre o diâmetro do gargalo e o diâmetro da saída da parte divergente é grande. Esta proporção de seção assume valores entre 40 e 300 pelas razões explicadas abaixo.
O impulso é ideal quando a pressão do gás na saída do bico é igual à pressão ambiente. Os bicos do primeiro estágio que devem operar à pressão ambiente são relativamente curtos, pois o gás não deve ser superexpandido, enquanto os dos estágios que operam no vácuo são muito alongados.
O bico do motor do primeiro estágio opera sob condições de pressão externa muito diferentes entre a ignição do motor (pressão atmosférica próxima a 1 bar) e sua extinção (quase vazio). Sua forma é, portanto, um compromisso.
O divergente de formato ideal é muito longo, mas tem impacto direto na massa do lançador. Para limitar o volume, o bocal dos motores de foguete dos estágios superiores pode ser parcialmente implantável.
Os impulsos necessários para impulsionar um foguete são enormes: podem chegar a 800 toneladas para motores de foguetes de propelente líquido e 1.500 toneladas para propelentes de foguetes sólidos. Para obter tais impulsos, as pressões e temperaturas são levadas ao limite que os materiais em contato com os gases quentes podem suportar. O projeto de um bico é amplamente baseado no desenvolvimento de técnicas de resfriamento e na seleção de materiais adequados.
Toda a força propulsora de um foguete é aplicada ao bico, o que gera tensões mecânicas máximas no pescoço. De forma pictórica, podemos dizer que todo o peso do foguete (que pode chegar a várias centenas de toneladas) repousa exclusivamente sobre o pescoço do bico.

Bocal adaptado: os compromissos

Para que o bico de um motor de foguete contribua de maneira ideal para a aceleração do gás (bico adequado ), seu comprimento deve ser adaptado à pressão do ambiente externo. Quanto mais comprido for o bico, menor será a pressão na saída. As partes divergentes dos motores que impulsionam os estágios superiores dos lançadores devem ser particularmente longas, pois a pressão externa é quase nula e ao nível do solo o bico deve ser mais curto para não acabar em subexpansão dos gases. O comprimento do bico leva a um alongamento do lançador e, portanto, a uma estrutura mais pesada, o que é prejudicial ao desempenho geral. As pressões do ambiente externo variam rapidamente durante o vôo e o comprimento dos bicos é, portanto, um compromisso para obter a melhor eficiência possível.

Um bico de motor de foguete de primeiro estágio é feito para operar sob condições de pressão externa muito diferentes: isto é 1 bar no lançamento, mas quase zero quando o motor é desligado. A geometria do bico não pode se adaptar às variações contínuas da pressão externa. A escolha feita é por expandir os gases na saída do divergente, ou seja, sua pressão é maior que a do ar ambiente na maior parte do tempo de operação do estágio. Isso permite ter um bico curto e, portanto, reduzir a massa do lançador.
No entanto, quando o motor do foguete está acelerando antes da decolagem e quando o motor é desligado, os gases produzidos são temporariamente sobre-expansão, o que cria uma separação dos fluxos que pode danificar o bico na decolagem e gerar não simétricos impulsos na decolagem e na extinção.

Forma divergente

A forma do divergente deve ser tal que sua parede se confunda com a linha atual do fluxo dos gases expelidos. Este perfil é geralmente calculado resolvendo as equações de Euler, em particular usando o método característico . No caso de bicos usados no campo de jatos de plasma, as temperaturas e, portanto, as viscosidades muito altas requerem o recurso à resolução das equações de Navier-Stokes . O perfil ideal é o de um cone com meio ângulo no topo de 15 °. Para encurtar o comprimento da parte divergente e, assim, reduzir o comprimento do lançador e, portanto, sua massa, duas soluções são implementadas:

O bico truncado ideal (TIC) é um bico cujo perfil segue a curva ótima, mas que é cortado em sua extremidade. No caso do motor Vulcain, cortar o perfil ideal em 2/3 (comprimento de 2,5 metros em vez de 7 metros) resulta em uma perda de empuxo limitada a 3%.
O bico de choque interno otimizado (TOC = Thrust-Optimized Contour ) é um bico cujo perfil se desvia da curva ótima, o que permite economizar outros 20% no comprimento da parte divergente em relação a um bico do tipo TIC. O ângulo na proximidade do pescoço (de 20 a 50 °) é maior do que o ângulo ótimo, o que permite aumentar o diâmetro da parte divergente mais rapidamente. O desvio do perfil ideal é gradualmente reduzido até atingir apenas cerca de 10 ° no final da parte divergente. A forma obtida é chamada de xícara de ovo. Este ganho vem à custa de um fluxo de gás mais perturbado que pode dar origem a ondas de choque internas na parte divergente.

Outra forma de reduzir o comprimento da porção divergente é multiplicar o número de bocais associados a uma única câmara de combustão. Vários motores de foguete de propelente líquido soviético / russo usam essa técnica, incluindo o RD-171 que tem 4 bicos. Sendo a vazão de cada bico um quarto da vazão total, o tamanho do gargalo é reduzido e, conseqüentemente, o diâmetro e o comprimento da parte divergente. O ganho de comprimento é avaliado em 30% com em troca uma maior complexidade e, sem dúvida, uma massa maior do que uma configuração de bico único.

Resfriamento do bico

Os gases de combustão que saem da câmara de combustão têm uma temperatura muito alta. No caso de bicos de motores de foguete, que operam em temperaturas muito elevadas (em torno de 3000 ° C ), deve-se prever um processo de resfriamento das paredes do bocal, pois nenhuma liga é capaz de suportar altas temperaturas e também alto estresse térmico. O gargalo do bico é onde as trocas de calor são mais intensas, enquanto o final da parte divergente é por onde circulam os gases mais frios. Várias técnicas de resfriamento são usadas:

Se o motor de foguete queima propelentes criogênicos (hidrogênio líquido, oxigênio líquido) que são sempre armazenados em temperatura muito baixa, o resfriamento por circulação dos propelentes consiste em fazer com que estes circulem em uma parede dupla que se estende desde a câmara de combustão até a totalidade ou parte do divergentes antes de serem queimados para produzir os gases propelentes.
O resfriamento radiativo consiste no uso de metais capazes de suportar temperaturas muito altas, como o molibdênio ou o nióbio, que aumentam a temperatura para um valor abaixo de seu ponto de fusão e, em seguida, atingem um equilíbrio térmico pela evacuação gradual do calor comunicado pelos gases. Para motores de foguete de média a alta potência, esta técnica só pode ser usada para as partes mais frias do bico.
Os revestimentos ablativos também são usados para bicos de baixo empuxo ou em motores mais potentes, mas limitando seu uso a áreas mais frias.
O resfriamento de filme fluido consiste em circular ao longo da parede do bico (e da câmara de combustão) um resfriador de fluido mais frio que os gases acelerados, o que evita que a estrutura atinja seu ponto de fusão. Essa técnica foi utilizada, isoladamente, por alguns pioneiros da propulsão como Goddard, mas resultou em uma redução de 5 a 17% do impulso sem complementar outras técnicas de resfriamento: a quantidade de propelente desviado fica então entre 1 e 6% e o o impulso específico é reduzido de 0,5 para 2%. Diversas técnicas podem ser usadas para criar o filme de fluido: combustível supranumerário (portanto não queimado) pode ser introduzido na câmara de combustão por injetores localizados na periferia da placa de injeção ou nas paredes laterais da câmara de combustão ou no bico. Outra técnica usada para motores a propelente sólido consiste em fornecer blocos de material na câmara de combustão que, ao serem queimados, produzem gases mais frios.

Comparação de técnicas de resfriamento divergentes aplicadas a diferentes motores de foguete

Motor de foguete	Modelo	Geometria	Seção divergente	Material divergente	Técnica de resfriamento
Vinci	Propulsão de estágio superior	Proporção da seção: 240 altura divergente, diâmetro de saída de 3,2 m : 2,2 m	Parte de cima	Liga de cobre e níquel	Circulação de hidrogênio líquido em parede dupla
Vinci	Propulsão de estágio superior		Parte inferior	Composto de carbono	Resfriamento passivo radiante ( 1.800 Kelvin)
Vulcan 2	Propulsão de primeiro estágio	Relação da seção: 58 altura divergente 2,3 m de diâmetro de saída: 2,1 m	Parte de cima	Liga de níquel	Circulação de hidrogênio em parede dupla
Vulcan 2	Propulsão de primeiro estágio		Parte inferior	Liga de níquel	Filme gasoso composto de gases de exaustão da turbina a gás e hidrogênio do sistema de resfriamento

Caixa de motores de foguete de propelente sólido

Em propulsores de propelente sólido , a seção do pescoço regula a combustão do bloco de “combustível sólido”. A garganta do bocal deve ser larga o suficiente para que os gases de combustão escapem criando o empuxo, mas estreita o suficiente para que o propelente não queime em uma única explosão.

Sistema de orientação de empuxo

Um bico orientável é um bico articulado em torno de um ou dois eixos e que permite modificar a direção do impulso .

Tipo de bico

Bocal divergente extensível

Os motores de foguete de estágio superior requerem bicos muito longos porque operam no vácuo. Para limitar a massa estrutural que um bico muito longo imporia, certos motores, como o RL-10 B-2, que impulsiona o segundo estágio do lançador Delta IV, incluem um divergente extensível que só é totalmente implantado quando o estágio inferior foi desistiu.

RL10 tem extensível divergente
Esquema de RL-10 com divergente expansível.
Teste de implantação da parte expansível do bico do motor RL-10 B-2 impulsionando o segundo estágio do lançador Delta IV.

Bocal de fluxo externo / corpo central (por exemplo, aerospike)

O bico com fluxo externo ou com corpo central adapta-se automaticamente à mudança de pressão encontrada durante o voo, tendo uma pequena pegada. Geometrias diferentes foram testadas:

Bocal anular não truncado
Bico múltiplo de revolução com corpo central truncado
Bico múltiplo linear com corpo central truncado como o aerospike

O conceito foi testado em protótipos, mas nunca foi usado em um lançador operacional devido aos problemas específicos dos bicos aerospike e, em particular, os problemas de resfriamento e sua complexidade (anel ou câmara de combustão distribuída).

Bicos do corpo central
Teste de um multibocal linear com corpo central truncado o Aerospike XRS-2200 (2001)
Bocal anular não truncado testado em um motor de propelente sólido (2004)
Diagrama comparando dois motores de foguete usando por um lado um bico convencional e por outro lado um bico tipo Aerospike

Bocal de curva dupla

O bico de dupla curvatura apresenta sucessivamente dois perfis diferentes que vão do gargalo até a saída da parte divergente. A segunda parte começa com uma desistência. Este tipo de bico deve permitir a adaptação à variação de pressão encontrada por um motor de foguete de primeiro estágio entre o início e o fim de sua operação. Em baixa altitude, apenas a parte superior do bico é usada, enquanto quando a pressão externa é bastante reduzida, toda a parte divergente contribui para canalizar o fluxo de gás. Esta configuração permite a auto-adaptação do fluxo sem mecanismo, mas provoca cargas laterais durante a transição entre os dois regimes de fluxo.

Bocal turbojato

Os bicos dos turbojatos são usados em diferentes condições. Existem dois tipos de bocal: o bocal propelente destinado a expandir os gases de combustão e o bocal que canaliza a entrada de ar que pode ser convergente ou divergente. O motor a jato também possui as seguintes características que influenciam o design de seus bicos:

Várias velocidades do motor com ou sem pós - combustão
Taxa de expansão relativamente baixa
Ejeção do fluxo secundário (fluxo frio)
Para jatos de combate stealth, é necessário mascarar a assinatura térmica
Para algumas aeronaves de combate, desvio significativo do jato propulsor (bico orientável, decolagem vertical)
Velocidades de entrada de ar muito variáveis. Para aviões voando em velocidade supersônica, o ar deve ser desacelerado até a velocidade subsônica antes de entrar na câmara de compressão.

Bocal propelente

No caso geral, o bico é simplesmente divergente.

Se o turbojato impulsiona um avião que não ultrapassa a velocidade do som, a parte divergente é formada por um cone que se projeta. Este sistema é auto-adaptativo.
Se a aeronave usa pós-combustor, um pescoço com diâmetro variável é usado para regular o fluxo.

Entrada de ar

Para que o turbojato funcione corretamente, a velocidade do fluxo de ar na entrada do compressor deve ser igual a aproximadamente 600 km / h (Mach 0,5). Se o avião voar abaixo dessa velocidade, a entrada de ar deve ser um bico convergente; além dessa velocidade, a entrada de ar deve ser um bico divergente.

Para obter uma geometria correspondente a estas diferentes necessidades, são utilizados elementos móveis: secções variáveis com rampa ou corpo central (rato) modificam o perfil da entrada de ar.
Quando o avião está viajando em velocidade supersônica, a geometria da entrada de ar é adaptada para ser a de um bico Laval. O fluxo de ar que entra é primeiro desacelerado em uma seção convergente até atingir Mach 1 no pescoço, então a desaceleração continua em uma seção divergente até que sua velocidade caia para Mach 0,5.
Quando o avião está parado, o aumento da rotação do motor leva naturalmente à separação dos fluxos de ar e, portanto, a uma redução na eficiência da admissão. Para limitar esse fenômeno, as escotilhas se abrem na lateral do bocal de entrada para permitir a entrada de ar adicional.

Notas e referências

Equação 12 de Richard Nakka.
Equação 1.22 de Robert Braeuning.
(em) George P Sutton e Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements: uma introdução à engenharia de foguetes , New York / Brisbane etc., Wiley-Interscience ,1992, 6 th ed. , 636 p. ( ISBN 0-471-52938-9 )
D. Marty p. 110
D. Marty p. 71-72
John Gary Landry, "Nozzle Flow with Vibrational Nonequilibrium", Relatório NASA-CR-199948, 1995 [1]
Sutton e Biblarz p. 75-85
Philippe Reijasse (ONERA), " Aerodynamics of supersonic nozzles " ,28 de novembro de 2007, p. 46-48
Luca Boccaletto, Controle de separação de bicos. Análise do comportamento de um bico tipo TOC e definição de um novo conceito: o BOCCAJET (relatório de tese) ,2011, 327 p. ( ISBN 978-0-387-98190-1 , leitura online ) , p. 11
Philippe Reijasse (ONERA), " Aerodynamics of supersonic nozzles " ,28 de novembro de 2007, p. 61-66
Philippe Reijasse (ONERA), " Aerodynamics of supersonic nozzles " ,28 de novembro de 2007, p. 9

Bibliografia

Livros sobre motores de foguetes

(em) George P Sutton e Oscar Biblarz, de propulsão do foguete Elementos 8 th edition , Hoboken, NJ, Wiley ,2010, 768 p. ( ISBN 978-0-470-08024-5 , leia online )
(pt) George P Sutton, História dos motores de foguetes de propelente líquido , Instituto Americano de Aeronáutica e Astronáutica,2006( ISBN 1-56347-649-5 )
(pt) NASA, bicos de motor de foguete líquido , NASA,Julho de 1976( leia online )

Trabalhos gerais na operação de lançadores

Philippe Couillard, Lançadores e satélites , Toulouse, Cépaduès,2005, 246 p. ( ISBN 2-85428-662-6 )
Daniel Marty, Sistemas espaciais: design e tecnologia , Paris / Milão / Barcelona, Masson,1994, 336 p. ( ISBN 2-225-84460-7 )