Tobera de Laval de expansión de motor de cohete que comprende una garganta;

una primera sección de expansión (1) y una segunda sección de expansión (2) unidas entre sí, que definen una superficie de tobera interior que delimita una zona de expansión para producir empuje en la dirección de un eje de tobera por expansión de un flujo de gases de escape descargados a través de dicha garganta, una ranura anular (3), que se extiende circunferencialmente alrededor de dicho eje de tobera, formado entre dichas primera y segunda secciones de expansión (1, 2), en la unión de dichas primera y segunda secciones de expansión (1, 2); así como un dispositivo de inyección de gas (4, 5, 6) con unos conductos de descarga de gas (5) conectados a dicha ranura anular (3) para la inyección de gas adicional en dicha zona de expansión; caracterizada porque una pared (12) que se extiende en dicha ranura anular entre dichas primera y segunda secciones de expansión (1, 2) comprende unos orificios pasantes (7) dispuestos alrededor de dicho eje de tobera, permitiendo dichos orificios pasantes (7) la comunicación fluídica entre dicha zona de expansión y la atmósfera exterior fuera de dicha tobera para aspirar aire atmosférico al interior de dicha zona de expansión junto con inyección de gas adicional por dicho dispositivo de inyección de gas (4, 5, 6), porque el ancho (hs) radial de dicha ranura anular (3) es como máximo el 40% del radio (rcr) de dicha garganta, y porque dichos conductos de descarga de gas (5) presentan unos orificios (6) calibrados de modo que un caudal de gas adicional inyectado a través de los mismos en dicha zona de expansión no supera el 5% del caudal de dicho flujo de gases de escape

CAMPO TÉCNICO

La presente invención se refiere al campo de la ingeniería aeroespacial y puede aplicarse, en particular, a motores de cohete de propergol líquido de primera y segunda fase de una cámara o de múltiples cámaras.

ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA

El documento US nº 4.947.644 da a conocer una tobera de Laval de expansión de motor de cohete con una discontinuidad de curvatura. (Tal como se dice, a veces que tienen una “ruptura de contorno” o que son del tipo de campana doble o múltiple.) La tobera del documento mencionado comprende una primera sección de expansión (en adelante denominada también como sección de expansión de baja altitud), adyacente a la garganta de tobera, para funcionamiento de baja altitud y una segunda sección de expansión (en adelante, denominada también sección de expansión de alta altitud) para el funcionamiento de alta altitud dispuesta aguas abajo de la primera sección de expansión con respecto al flujo de los gases de escape. En la unión de las secciones de expansión primera y segunda, hay una ranura anular, cerrada hacia la parte exterior de la tobera, a la que están conectados inyectores de gas. Estos inyectores de gas sirven para inyectar un chorro de gas adicional en la parte divergente de la tobera, en la misma dirección que el flujo de gas principal. El documento aporta una buena explicación de la utilidad de dicha inyección de gas adicional.

Sin embargo, la tobera dada a conocer en el documento anterior sufre del inconveniente de que durante el ascenso del cohete, la presión ambiental disminuye, y, con el fin de retener las ondas de choque en el borde de la sección de expansión de baja altitud, se requiere inyectar más gas. Si no se inyecta gas adicional a una tasa suficiente, las ondas de choque abandonan el borde de tobera de baja altitud antes de que la presión del gas en el borde se iguale con la presión ambiental. Como resultado, tiene lugar la sobreexpansión de gas en la sección de expansión de alta altitud, lo que da como resultado un empuje inferior al óptimo.

PROBLEMA TÉCNICO

Un objetivo de la presente invención es aumentar el momento lineal específico promedio de trayectoria de un vehículo espacial. Este objetivo se alcanza mediante una tobera de Laval para un motor de cohete según la reivindicación 1.

DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA INVENCIÓN

Para resolver el problema mencionado anteriormente, la presente invención propone una tobera de Laval de motor de cohete con una garganta de tobera, una primera sección de expansión, conectada a la garganta, y una segunda sección de expansión unida a la primera sección de expansión. Juntas, las secciones de expansión definen una superficie de tobera interior que delimita una zona de expansión para producir empuje en la dirección del eje de tobera por expansión de un flujo de gases de escape descargados a través de la garganta. Una ranura anular, formada en la unión de la primera y segunda secciones de expansión, se extiende circunferencialmente alrededor del eje de tobera. Los conductos de descarga de gas de un dispositivo de inyección de gas están conectados a la ranura anular para inyección de gas adicional en la zona de expansión. Según la invención, una pared se extiende en la ranura anular entre las secciones de expansión primera y segunda. La pared comprende unos orificios pasantes dispuestos alrededor del eje de tobera. Estos orificios pasantes permiten la comunicación fluídica entre la zona de expansión y la atmósfera exterior fuera de la tobera. El ancho radial de la ranura anular es como máximo el 40% del radio de la garganta y los conductos de descarga de gas presentan orificios calibrados de modo que un caudal de gas adicional inyectado a través de éstos en la zona de expansión no supera el 5% del caudal del flujo de gases de escape principal. La superficie de tobera interior preferentemente presenta una discontinuidad de curvatura en la unión de la primera sección de expansión y la segunda sección de expansión. A diferencia de la tobera conocida a partir de la patente US nº 4.947.644, que presenta una ranura anular cerrada, que evita la transferencia de presión ambiental a través de la ranura al interior de la zona de expansión de la tobera, la tobera según la invención permite la transferencia de presión a través de los orificios pasantes. Junto con el gas adicional que inyecta el dispositivo de inyección de gas, se aspira aire atmosférico al interior de la zona de expansión de gas, lo que mejora la separación del flujo de gas de la superficie interior de la tobera (lo que hace que la onda de choque permanezca en la sección de baja altitud). A medida que aumenta la altitud, el flujo de gas adicional y aire atmosférico gira gradualmente y se adhiere a la pared interior de la sección de alta altitud; la onda de choque finalmente “salta” a la sección de alta altitud.

Preferentemente, el radio máximo de la primera sección de expansión (es decir, el radio en la parte de cola de la primera sección de expansión) es entre 3 y 7 veces el radio de la garganta y el radio máximo de la segunda sección de expansión (es decir, el radio en la parte de cola de la segunda sección de expansión) es entre 6 y 15 veces el radio de la garganta.

Ventajosamente, el ancho radial de la ranura anular es entre el 20 y el 40% del radio de la garganta. Cuando se indica un intervalo en la presente memoria, los valores límite del intervalo se consideran incluidos en el intervalo.

El dispositivo de inyección de gas comprende preferentemente un distribuidor conectado a los conductos de descarga de gas, distribuidor que está ventajosamente dispuesto dentro de la ranura anular. Alternativamente, también puede estar dispuesto delante de la ranura anular, es decir, en la parte exterior de la primera sección de expansión en una posición axial más próxima a la posición axial de la garganta de tobera que la ranura anular.

Según una forma de realización preferida de la invención, la tobera comprende una ranura anular adicional, siendo los anchos radiales de la ranura anular y la ranura anular adicional juntas entre el 20 y el 40% del radio de la garganta. Dicha ranura anular adicional está formada preferentemente en la unión de una tercera sección de expansión y la segunda sección de expansión. Opcionalmente, una discontinuidad de curvatura de la superficie de tobera interior también puede estar presente en la ranura anular adicional, es decir, en la unión de la segunda sección de expansión y la tercera sección de expansión.

Independientemente de si está presente una tercera sección de expansión, la segunda sección de expansión preferentemente comprende una pieza cilíndrica que rodea una parte axial de la primera sección de expansión (es decir, una parte de cola de la primera sección de expansión), de tal modo que la ranura anular en la unión de las secciones de expansión primera y segunda está delimitada, de manera radial en ancho, por la pieza cilíndrica de la segunda sección de expansión y la parte axial de la primera sección de expansión.

Si la tobera comprende una tercera sección de expansión, también se proporciona

preferentemente una pieza cilíndrica en la misma. Esa pieza cilíndrica entonces rodea una parte axial de la segunda sección de expansión, de modo que la ranura anular adicional en la unión de las secciones de expansión segunda y tercera está delimitada, de manera radial en ancho, por la pieza cilíndrica de la tercera sección de expansión y la parte axial de la segunda sección de expansión.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Detalles y ventajas adicionales de la presente invención se pondrán de manifiesto a partir de la siguiente descripción detallada de varias formas de realización no limitativas haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es una vista longitudinal en sección transversal de una tobera de Laval de motor de cohete; la figura 2 es una vista detallada de un dispositivo de inyección de gas adicional; la figura 3 es una vista longitudinal en sección transversal de una tobera de Laval con dos ranuras anulares situadas coaxialmente; la figura 4 es una vista longitudinal en sección transversal de una tobera de Laval con un contorno interior liso (es decir, sin discontinuidad de curvatura); la figura 5 es una vista longitudinal en sección transversal de una tobera de Laval con doble discontinuidad de curvatura (es decir, con tres secciones de expansión); la figura 6 es una vista longitudinal en sección transversal de una...

1. Tobera de Laval de expansión de motor de cohete que comprende una garganta; una primera sección de expansión (1) y una segunda sección de expansión (2) unidas entre sí, que definen una superficie de tobera interior que delimita una zona de expansión para producir empuje en la dirección de un eje de tobera por expansión de un flujo de gases de escape descargados a través de dicha garganta, una ranura anular (3), que se extiende circunferencialmente alrededor de dicho eje de tobera, formado entre dichas primera y segunda secciones de expansión (1, 2), en la unión de dichas primera y segunda secciones de expansión (1, 2); así como un dispositivo de inyección de gas (4, 5, 6) con unos conductos de descarga de gas (5) conectados a dicha ranura anular (3) para la inyección de gas adicional en dicha zona de expansión; caracterizada porque una pared

(12) que se extiende en dicha ranura anular entre dichas primera y segunda secciones de expansión (1, 2) comprende unos orificios pasantes (7) dispuestos alrededor de dicho eje de tobera, permitiendo dichos orificios pasantes (7) la comunicación fluídica entre dicha zona de expansión y la atmósfera exterior fuera de dicha tobera para aspirar aire atmosférico al interior de dicha zona de expansión junto con inyección de gas adicional por dicho dispositivo de inyección de gas (4, 5, 6), porque el ancho (hs) radial de dicha ranura anular (3) es como máximo el 40% del radio (rcr) de dicha garganta, y porque dichos conductos de descarga de gas (5) presentan unos orificios (6) calibrados de modo que un caudal de gas adicional inyectado a través de los mismos en dicha zona de expansión no supera el 5% del caudal de dicho flujo de gases de escape.

2. Tobera según la reivindicación 1, en la que el radio máximo (ra) de dicha primera sección de expansión (1) es entre 3 y 7 veces el radio (rcr) de dicha garganta y en la que el radio máximo (rc) de dicha segunda sección de expansión (2) es entre 6 y 15 veces el radio (rcr) de dicha garganta.

3. Tobera según la reivindicación 1 ó 2, en la que el ancho (hs) radial de dicha ranura anular (3) es entre el 20 y el 40% del radio (rcr) de dicha garganta.

4. Tobera según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que dicho

dispositivo de inyección de gas (4, 5, 6) comprende un distribuidor (4) conectado a dichos

conductos de descarga de gas (5), estando dispuesto dicho distribuidor (4) dentro de dicha ranura anular (3) o delante de dicha ranura anular (3).

5. Tobera según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende una ranura anular adicional (8, 10), siendo los anchos (hs) radiales de dicha ranura anular (3) y dicha ranura anular adicional (8, 10) juntas entre el 20 y el 40% del radio (rcr) de dicha garganta.

6. Tobera según la reivindicación 5, que comprende una tercera sección de expansión (9) unida a dicha segunda sección de expansión (2), estando formada dicha ranura anular adicional (10) en la unión de dichas segunda y tercera secciones de expansión (2, 9).

7. Tobera según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicha segunda sección de expansión (2) comprende una pieza cilíndrica (11) que rodea una parte axial de dicha primera sección de expansión (1), estando delimitada dicha ranura anular (3) en la unión de dichas primera y segunda secciones de expansión (1, 2) por dicha pieza cilíndrica (11) de dicha segunda sección de expansión (2) y dicha parte axial de dicha primera sección de expansión (1).

8. Tobera según la reivindicación 6, en la que dicha tercera sección de expansión

(9) comprende una pieza cilíndrica (11) que rodea una parte axial de dicha segunda sección de expansión (2), estando delimitada dicha ranura anular adicional (10) en la unión de dichas segunda y tercera secciones de expansión (2, 9) por dicha pieza cilíndrica

(11) de dicha tercera sección de expansión (9) y dicha parte axial de dicha segunda sección de expansión (2).

9. Tobera según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en la que dicha superficie de tobera interior presenta una discontinuidad de curvatura en la unión de dicha primera sección de expansión (1) y dicha segunda sección de expansión (2).

10. Tobera según la reivindicación 6, en la que dicha superficie de tobera interior presenta una discontinuidad de curvatura en la unión de dicha segunda sección de

- 11 expansión (2) y dicha tercera sección de expansión (9).