Duză

O duză ( duză de propulsie în zona astronautică ) este o conductă cu secțiune transversală variabilă din spatele unui motor care produce gaze de ardere fierbinți care transformă energia termică a acesteia în energie cinetică . Pentru a atinge acest obiectiv și în funcție de contextul implementării, o duză poate fi convergentă, divergentă sau poate include o secțiune convergentă și o altă divergentă ( duza Laval ). În special, există duze în partea din spate a motoarelor cu reacție care echipează avioane și pe motoarele rachete care propulsează rachete și lansatoare .

Principiul de funcționare

Obiectivul unei duze este de a crește energia cinetică a fluidului care trece prin ea, adică viteza sa, prin transformarea energiei sale interne, adică a temperaturii sale.

Principiul de funcționare al unei duze se bazează pe proprietățile gazelor atunci când acestea circulă la viteze subsonice și supersonice. Când un gaz curge la o viteză subsonic printr-o conductă cu un diametru îngust, viteza acestuia crește. Cu toate acestea, viteza gazului nu poate depăși cea a sunetului (Mach 1). De fapt, într-un regim de flux supersonic (viteza mai mare decât viteza sunetului) comportamentul gazului este inversat: pentru ca viteza acestuia să crească, diametrul conductei trebuie să crească. Acest comportament al gazelor se bazează pe principiul accelerării gazului descris de ecuația Hugoniot :

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

S este aria secțiunii transversale a conductei, v viteza și M numărul Mach $M = v / c$

O duză poate fi convergentă, divergentă sau atât convergentă, cât și divergentă:

O duză convergentă face posibilă accelerarea gazelor care circulă la viteze subsonice. Dacă presiunea este suficientă, viteza poate atinge Mach 1 la ieșirea duzei, dar nu poate depăși această valoare.
O duză divergentă face posibilă accelerarea gazelor care sunt deja la viteză supersonică la intrarea acesteia.
O duză convergentă și divergentă ( duza Laval ) ale cărei caracteristici sunt dezvoltate mai jos.

Cazul duzei Laval

O duză Laval face posibilă accelerarea gazelor de la o viteză subsonică la o viteză supersonică prin combinarea celor două efecte descrise mai sus. Gazele sunt accelerate la Mach 1 în secțiunea convergentă a duzei și apoi sunt accelerate deasupra Mach 1 în secțiunea divergentă. Prin urmare, o duză Laval are trei subansamble:

converg
gâtul unde diametrul secțiunii este minim
porțiunea divergentă care poate avea forma unui con sau a unui clopot sau poate fi alcătuită din lame în cazul unei turbine cu gaz .

Viteza gazelor expulzate: cazul unui motor rachetă

Cu cât viteza gazelor expulzate este mai mare, cu atât este mai eficientă conversia energiei interne în energie cinetică. În cazul unui motor rachetă , gazele sunt produse prin arderea combustibililor în condiții de presiune ridicată. Viteza gazelor expulzate este calculată utilizând următoarea ecuație:

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]}}

cu:
$v_e$	= Viteza gazelor la ieșirea duzei în m / s
$T$	= Temperatura la intrarea duzei
$R$	= Constanta universală a gazelor ideale
$M$	= Masa moleculară a gazului în kg / kmol
$\gamma$	= = Coeficientul adiabatic ${\ frac {c_ {p}} {c_ {v}}}$
$c_p$	= Capacitatea termică a gazului la presiune constantă
$CV$	= Capacitatea termică a gazului la volum constant
$p_ {e}$	= Presiunea gazului la ieșirea duzei
$p$	= Presiunea gazului la intrarea duzei

Viteza rezultată poate fi optimizată prin trei parametri:

Temperatura din camera de ardere
Raportul dintre presiunea la intrarea și ieșirea duzei
Tipurile de combustibili arși (masa moleculară a gazelor de ardere)

Exemple

Singurul dintre acești parametri care depinde de caracteristicile duzei este raportul de presiune. Putem ilustra influența acestuia în cazul unui motor care arde un amestec de oxigen / hidrogen cu o presiune internă de 115 bari (cazul motorului Vulcain 2 al Ariane 5 ): cu a = 1,2 viteza gazului scade cu aproximativ 14% dacă presiunea de ieșire este de 5 bari în loc de 1 bar. $\gamma$

În practică, vitezele gazelor arse se încadrează în următoarele domenii:

1.700 - 2.900 m / s pentru motoare rachete monopropelente lichide
2.900 până la 4.500 m / s pentru motoarele cu rachete cu combustibil lichid
2100 - 3200 m / s pentru motoare cu combustibil solid

Diferențele de viteză de ejecție sunt legate de alegerea propulsorilor (reacții chimice mai mult sau mai puțin exoterme și, prin urmare, de temperaturi mai mult sau mai puțin ridicate), de presiunea din camera de ardere, de ciclul de ardere ales (pierderi mai mult sau mai puțin) și de lungimea a porțiunii divergente (expansiune optimă a gazului).

Domenii de aplicare a duzelor

Duzele găsesc mai multe tipuri de aplicații:

Duza motorului cu reacție al unui avion sau motorul rachetei unei rachete contribuie la forța de propulsie sau forța de reacție prin expansiunea gazelor fierbinți produse prin arderea combustibililor.
În cazul unei turbine cu gaz , gazele produse de combustie fac posibilă punerea în mișcare a arborelui unui alternator care furnizează electricitate. Energia fluidului este transformată în energie mecanică. Lamele joacă rolul de divergent. Fluidul poate fi apă dintr-un baraj furnizat de o conductă de înaltă presiune sau apă din circuitul secundar al unui reactor nuclear adus la temperatură / presiune foarte ridicată.
Principiul duzei este de asemenea utilizat pe piese centrale duze de injectoare sau pulverizatoare .

Duza motorului rachetă

Rolul și funcționarea duzei motorului de rachetă

Motorul rachetei este sistemul de propulsie pe care rachetele îl folosesc pentru a accelera la viteze hipersonice, putând în același timp să funcționeze într-un vid, adică fără a fi nevoie să extragă oxidantul din atmosferă. De propulsorii depozitate la bord arde într - o cameră de combustie și gazele produse sunt accelerate printr - o duză Laval . Acestea produc o împingere care crește viteza rachetei în conformitate cu legea conservării impulsului . Duza joacă un rol central în eficiența acestei propulsii prin conversia energiei termice și a presiunii gazelor rezultate din combustie în energie cinetică . Gazele sunt evacuate cu o viteză de până la 2000 până la 4000 m / s, în timp ce temperatura și presiunea scad brusc între camera de ardere și ieșirea părții divergente a duzei.

Creșterea vitezei gazelor din partea divergentă este cu atât mai importantă cu cât raportul este mare între diametrul gâtului și diametrul ieșirii părții divergente. Acest raport de secțiune ia valori cuprinse între 40 și 300 din motivele explicate mai jos.
Propulsia este optimă atunci când presiunea gazului la ieșirea duzei este egală cu presiunea ambiantă. Duzele din prima treaptă care trebuie să funcționeze la presiunea ambiantă sunt relativ scurte, deoarece gazul nu trebuie să fie supra-extins, în timp ce cele din treptele care funcționează în vid sunt foarte alungite.
Duza motorului din prima etapă funcționează în condiții de presiune externă foarte diferite între aprinderea motorului (presiunea atmosferică apropiată de 1 bar) și stingerea acestuia (aproape goală). Prin urmare, forma sa este un compromis.
Divergentul în formă ideală este foarte lung, dar are un impact direct asupra masei lansatorului. Pentru a limita volumul, duza motoarelor rachete din treptele superioare poate fi parțial desfășurată.
De împingerile necesare pentru a propulsa o rachetă sunt enorme: ele pot ajunge la 800 de tone pentru motoare de rachetă cu combustibil lichid și 1.500 de tone pentru combustibil solid pentru rachete. Pentru a obține astfel de presiuni, presiunile și temperaturile sunt aduse la limitele a ceea ce materialele în contact cu gazele fierbinți pot rezista. Proiectarea unei duze se bazează în mare parte pe dezvoltarea tehnicilor de răcire și selectarea materialelor adecvate.
Toată forța de propulsie a unei rachete este aplicată pe duză, ceea ce generează solicitări mecanice maxime la gât. Într-un mod pictural, putem spune că întreaga greutate a rachetei (care poate ajunge la câteva sute de tone) se sprijină exclusiv pe gâtul duzei.

Duza adaptată: compromisurile

Pentru ca o duză cu motor de rachetă să contribuie optim la accelerarea gazului (duză adecvată ), lungimea acesteia trebuie adaptată la presiunea mediului extern. Cu cât duza este mai lungă, cu atât este mai mică presiunea la ieșire. Părțile divergente ale motoarelor care propulsează treptele superioare ale lansatoarelor trebuie să fie deosebit de lungi, deoarece presiunea externă este aproape nulă și la nivelul solului, duza trebuie să fie mai scurtă pentru a nu ajunge la subexpansiunea gazelor. Lungimea duzei duce la o alungire a lansatorului și, prin urmare, la o structură mai grea, care este în detrimentul performanței generale. Presiunile mediului extern variază rapid în timpul zborului, iar lungimea duzelor este, prin urmare, un compromis pentru a obține cea mai bună eficiență posibilă.

O duză a motorului rachetă în prima etapă este concepută să funcționeze în condiții de presiune externă foarte diferite: aceasta este de 1 bar la lansare, dar aproape zero atunci când motorul este oprit. Geometria duzei nu se poate adapta la variațiile continue ale presiunii externe. Alegerea făcută este sub expansiunea gazelor la ieșirea divergentului, adică presiunea sa este mai mare decât cea a aerului înconjurător pentru majoritatea timpului de funcționare al scenei. Acest lucru face posibil să aveți o duză scurtă și, prin urmare, să reduceți masa lansatorului.
Cu toate acestea, atunci când motorul rachetă se ridică înainte de decolare și când motorul este oprit, gazele produse sunt temporar supraexpandate, ceea ce creează o separare a debitelor, care poate deteriora duza la decolare și poate genera nesimetric. împingeri.la decolare și la dispariție.

Forma divergentă

Forma divergentului trebuie să fie astfel încât peretele său să se contopească cu linia curentă a fluxului gazelor expulzate. Acest profil este, în general, calculat prin rezolvarea ecuațiilor lui Euler, în special prin utilizarea metodei caracteristice . În cazul duzelor utilizate în domeniul jeturilor de plasmă, temperaturile și, prin urmare, vâscozitățile foarte mari necesită recurgerea la rezoluția ecuațiilor Navier-Stokes . Profilul optim este cel al unui con cu un unghi de jumătate la vârful de 15 °. Pentru a scurta lungimea părții divergente și astfel pentru a reduce lungimea lansatorului și, prin urmare, masa acestuia, sunt implementate două soluții:

Duza trunchiat ideale (TIC) este o duză al cărei profil urmează curba optimă, dar care se taie la capătul său. În cazul motorului Vulcain, tăierea profilului ideal cu 2/3 (lungimea de 2,5 metri în loc de 7 metri) are ca rezultat o pierdere de tracțiune limitată la 3%.
Duza optimizat intern șoc (TOC = axiali-Optimized contur ) este o duză a cărei abate de curba optimă, ceea ce face posibilă salvarea încă 20% pe lungimea părții divergente în comparație cu o duză de tip TIC profil. Unghiul din vecinătatea gâtului (de la 20 la 50 °) este mai mare decât unghiul optim, ceea ce face posibilă creșterea mai rapidă a diametrului părții divergente. Abaterea de la profilul ideal este redusă treptat pentru a ajunge doar la aproximativ 10 ° la capătul părții divergente. Forma obținută se spune că este o cupă cu ouă. Acest câștig vine cu prețul unui flux de gaz mai perturbat, care poate da naștere la unde de șoc interne în partea divergentă.

O altă modalitate de a reduce lungimea porțiunii divergente este de a multiplica numărul de duze asociate cu o singură cameră de ardere. Mai multe motoare rachete cu combustibil lichid sovietic / rus folosesc această tehnică, inclusiv RD-171 care are 4 duze. Debitul fiecărei duze fiind un sfert din debitul total, dimensiunea gâtului este redusă și, în consecință, diametrul și lungimea părții divergente. Câștigul în lungime este evaluat la 30%, în schimb o complexitate mai mare și, fără îndoială, o masă mai mare decât o configurație de duză unică.

Răcirea duzei

Gazele de ardere care ies din camera de ardere au o temperatură foarte ridicată. În cazul duzelor pentru motoare cu rachetă, care funcționează la temperaturi foarte ridicate (în jur de 3000 ° C ), trebuie prevăzut un proces de răcire a pereților duzei, deoarece niciun aliaj nu este capabil să reziste la o temperatură ridicată. Gâtul duzei este locul în care schimburile de căldură sunt cele mai intense, în timp ce capătul părții divergente este locul în care circulă cele mai reci gaze. Sunt utilizate mai multe tehnici de răcire:

Dacă motorul rachetă arde propulsori criogenici (hidrogen lichid, oxigen lichid) care sunt întotdeauna depozitați la o temperatură foarte scăzută, răcirea prin circulație a propulsorilor constă în a face ca aceștia să circule într-un perete dublu care se extinde de la camera de ardere la tot sau la o parte din divergente înainte ca acestea să fie arse pentru a produce gazele propulsive.
Răcirea radiativă constă în utilizarea de metale capabile să reziste la temperaturi foarte ridicate, cum ar fi molibdenul sau niobiul, care cresc în temperatură la o valoare sub punctul lor de topire, apoi ating un echilibru termic prin evacuarea treptată a căldurii comunicate de gaze. Pentru motoarele cu rachetă de putere medie spre mare, această tehnică poate fi utilizată doar pentru părțile mai reci ale duzei.
Acoperirile ablative sunt, de asemenea, utilizate pentru duze cu presiune redusă sau pe motoare mai puternice, dar limitând utilizarea acestora la zone mai reci.
Răcirea peliculei de fluid constă în circulația de-a lungul peretelui duzei (și al camerei de ardere) a unui răcitor de fluid decât gazele accelerate, ceea ce împiedică astfel structura să atingă punctul de topire. Această tehnică a fost utilizată, de la sine, de anumiți pionieri ai propulsiei precum Goddard, dar a dus la o reducere de 5 până la 17% a impulsului fără a completa alte tehnici de răcire: cantitatea de propulsor deviată este apoi între 1 și 6% și impulsul specific este redus de la 0,5 la 2%. Mai multe tehnici pot fi folosite pentru a crea pelicula fluidă: combustibilul supranumerar (prin urmare neîncălzit) poate fi introdus în camera de ardere prin injectoare situate la periferia plăcii de injecție sau la pereții laterali ai camerei de ardere.sau duza. O altă tehnică utilizată pentru motoarele cu combustibil solid constă în furnizarea de blocuri de material în camera de ardere care, la ardere, produc gaze mai reci.

Comparația tehnicilor de răcire divergente aplicate diferitelor motoare rachete

Motor rachetă	Tip	Geometrie	Secțiune divergentă	Material divergent	Tehnica de răcire
Vinci	Propulsie în stadiu superior	Raport secțiune: 240 înălțime divergentă 3,2 m diametru de ieșire: 2,2 m	Partea de sus	Cupru și aliaj de nichel	Circulația hidrogenului lichid în peretele dublu
Vinci	Propulsie în stadiu superior		Partea inferioară	Compozit carbon	Răcire radiantă pasivă ( 1.800 Kelvin)
Vulcan 2	Propulsie în prima etapă	Raport secțiune: 58 înălțime divergentă 2,3 m diametru de ieșire: 2,1 m	Partea de sus	Aliaj de nichel	Circulația hidrogenului în peretele dublu
Vulcan 2	Propulsie în prima etapă		Partea inferioară	Aliaj de nichel	Film gazos compus din gaze de eșapament ale turbinei cu gaz și hidrogen din sistemul de răcire

Cazul motoarelor cu rachete cu combustibil solid

În propulsoarele cu combustibil solid , secțiunea gâtului reglează arderea blocului „combustibil solid”. Gura duzei trebuie să fie suficient de largă pentru ca gazele de ardere să poată scăpa creând împingere, dar suficient de îngustă astfel încât combustibilul să nu ardă într-o singură explozie.

Sistem de orientare a tracțiunii

O duză orientabilă este o duză articulată în jurul uneia sau a două axe și care face posibilă modificarea direcției de împingere .

Tip duza

Duză divergentă extensibilă

Motoarele de rachetă de nivel superior necesită duze foarte lungi, deoarece funcționează în vid. Pentru a limita masa structurală pe care o ar impune o duză foarte lungă, anumite motoare precum RL-10 B-2 care propulsează a doua treaptă a lansatorului Delta IV, includ un divergent extensibil care este complet deplasat doar când treapta inferioară a fost scăzut.

RL10 are extensibil divergent
Schema RL-10 cu divergent extensibil.
Testarea desfășurării părții extensibile a duzei motorului RL-10 B-2 propulsând a doua etapă a lansatorului Delta IV.

Duză externă / corp central (de exemplu, aerospike)

Duza cu debit extern sau cu un corp central se adaptează automat la modificarea presiunii întâlnite în timpul zborului, având în același timp o amprentă mică. Au fost testate diferite geometrii:

Duză inelară non-trunchiată
Multi-duză de revoluție cu corp central trunchiat
Multi-duză liniară cu corp central trunchiat ca aerospike

Conceptul a fost testat pe prototipuri, dar nu a fost folosit niciodată pe un lansator operațional din cauza problemelor specifice duzei aerospike și în special a problemelor de răcire și a complexității acestora (inel sau cameră de ardere distribuită).

Duze ale corpului central
Testarea unei duze liniare multiple cu corp central trunchiat Aerospike XRS-2200 (2001)
Duză inelară non-trunchiată testată pe un motor cu propulsie solidă (2004)
Diagramă care compară două motoare cu rachetă folosind pe de o parte o duză convențională și pe de altă parte o duză de tip Aerospike

Duza cu dublă curbă

Duza cu curbă dublă are succesiv două profiluri diferite care merg de la gât la ieșirea părții divergente. A doua parte începe cu un abandon. Acest tip de duză trebuie să permită adaptarea la schimbarea de presiune întâmpinată de un motor rachetă în prima etapă între începutul și sfârșitul funcționării sale. La altitudine mică, se folosește doar partea superioară a duzei, în timp ce atunci când presiunea externă este foarte redusă, toată partea divergentă contribuie la canalizarea fluxului de gaz. Această configurație permite autoadaptarea fluxului fără mecanism, dar provoacă sarcini laterale în timpul tranziției dintre cele două regimuri de flux.

Duza cu turboreactor

Duzele turboreactoarelor sunt utilizate în condiții diferite. Există două tipuri de duze: duza cu combustibil destinată extinderii gazelor de ardere și duza care canalizează intrarea aerului care poate fi convergentă sau divergentă. Motorul cu reacție are, de asemenea, următoarele caracteristici care influențează proiectarea duzelor sale:

Mai multe turații ale motorului cu sau fără post - ardere
Rată de expansiune relativ scăzută
Ejectarea fluxului secundar (flux rece)
Pentru avioanele de luptă stealth, trebuie să mascați semnătura termică
Pentru unele aeronave de luptă deviație semnificativă a jetului de propulsor (duză orientabilă, decolare verticală)
Viteze de admisie a aerului foarte variabile. Pentru avioanele care zboară la viteză supersonică, aerul trebuie încetinit până la viteza subsonică înainte de a intra în camera de compresie.

Duza de propulsor

În cazul general, duza este pur și simplu divergentă.

Dacă turboreactorul propulsează un avion care nu traversează viteza sunetului, partea divergentă este formată dintr-un con care iese. Acest sistem este autoadaptativ.
Dacă aeronava folosește un post-arzător, pentru a regla debitul este utilizat un gât cu un diametru modificabil.

Admisie

Pentru ca turboreactorul să funcționeze corect, viteza debitului de aer la intrarea compresorului trebuie să fie egală cu aproximativ 600 km / h (Mach 0,5). Dacă avionul zboară sub această viteză, atunci admisia de aer trebuie să fie o duză convergentă, dincolo de această viteză, admisia de aer trebuie să fie o duză divergentă.

Pentru a obține o geometrie corespunzătoare acestor diferite nevoi, se utilizează elemente mobile: secțiuni variabile cu rampă sau corp central (mouse) modifică profilul orificiului de admisie a aerului.
Când avionul călătorește cu viteză supersonică, geometria orificiului de admisie a aerului este adaptată pentru a fi cea a unei duze Laval. Debitul de aer de intrare este mai întâi încetinit într-o secțiune convergentă până când ajunge la Mach 1 în gât, apoi decelerarea continuă într-o secțiune divergentă până când viteza sa scade la Mach 0,5.
Când avionul este staționar, creșterea turației motorului duce în mod natural la separarea fluxurilor de aer și, prin urmare, la o reducere a eficienței admisiei. Pentru a limita acest fenomen, trapa se deschide pe partea laterală a duzei de admisie pentru a permite pătrunderea aerului suplimentar.

Note și referințe

Ecuația 12 a lui Richard Nakka.
Ecuația 1.22 a lui Robert Braeuning.
(în) George P Sutton și Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements: o introducere în ingineria rachetelor , New York / Brisbane etc., Wiley-Interscience ,1992, Ed. A 6- a . , 636 p. ( ISBN 0-471-52938-9 )
D. Marty p. 110
D. Marty p. 71-72
John Gary Landry, „Flux de duză cu niciun echilibru vibrațional”, Raport NASA-CR-199948, 1995 [1]
Sutton și Biblarz p. 75-85
Philippe Reijasse (ONERA), „ Aerodinamica duzelor supersonice ” ,28 noiembrie 2007, p. 46-48
Luca Boccaletto, Controlul separării duzei. Analiza comportamentului unei duze de tip TOC și definirea unui nou concept: BOCCAJET (raport de teză) ,2011, 327 p. ( ISBN 978-0-387-98190-1 , citit online ) , p. 11
Philippe Reijasse (ONERA), „ Aerodinamica duzelor supersonice ” ,28 noiembrie 2007, p. 61-66
Philippe Reijasse (ONERA), „ Aerodinamica duzelor supersonice ” ,28 noiembrie 2007, p. 9

Bibliografie

Cărți axate pe motoare rachete

(în) George P Sutton și Oscar Biblarz, Propulsia Rachetelor Elements 8 - lea ediție , Hoboken, New Jersey, Wiley ,2010, 768 p. ( ISBN 978-0-470-08024-5 , citit online )
(ro) George P Sutton, Istoria motoarelor cu rachete cu propulsor lichid , Institutul American de Aeronautică și Astronautică,2006( ISBN 1-56347-649-5 )
(ro) NASA, duze pentru motoare cu rachetă lichidă , NASA,Iulie 1976( citește online )

Lucrări generale privind funcționarea lansatoarelor

Philippe Couillard, Lansatoare și sateliți , Toulouse, Cépaduès,2005, 246 p. ( ISBN 2-85428-662-6 )
Daniel Marty, Sisteme spațiale: proiectare și tehnologie , Paris / Milano / Barcelona, Masson,1994, 336 p. ( ISBN 2-225-84460-7 )