Expanderande munstycke
Det expanderande munstycket är en typ av raketmunstycke som, till skillnad från traditionella konstruktioner, bibehåller sin effektivitet på ett brett spektrum av höjder. Det är medlem i klassen av höjdkompenserande munstycken , en klass som även inkluderar pluggmunstycket och aerospiken . Även om det expanderande munstycket är det minst tekniskt avancerade och enklaste att förstå ur en modelleringssynpunkt, verkar det också vara den svåraste designen att bygga.
I det traditionella klockmunstycket är motorkjolen formad för att gradvis blossa ut från förbränningskammarens utgång med liten diameter och växa sig större längre från kammaren. Grundtanken är att sänka trycket på avgaserna genom att expandera det i munstycket, tills det når omgivande lufttryck vid utgången. För operationer på havsnivå är kjolen i allmänhet kort och mycket vinklad, åtminstone i jämförelse med en kjol som är avsedd för operationer i rymden, som är längre och mer gradvis formade. Detta innebär att en raketmotor som spenderar någon betydande tid på att klättra genom atmosfären inte kan formas optimalt; när den klättrar ändras omgivningstrycket, så den exakta formen och längden på kjolen måste ändras för att hålla rätt tryck. Raketdesigners måste välja den sweet spot som är mest lämplig för deras behov, inse att detta kommer att minska dragkraften med så mycket som 30 % på andra höjder.
Det expanderande munstycket åtgärdar detta till en viss grad genom att inkludera två kjolar på en enda motor, den ena inuti den andra. Den första kjolen, fäst direkt på förbränningskammaren , är designad för användning på lägre höjder och är kort och knäböjd. Den andra, som sitter utanför den första, passar över den lägre höjdsklockan för att förlänga den till en längre och smalare (mätt i längd) klocka som används för högre höjder. Vid lyft dras den yttre klockan upp från den inre klockan, ur vägen för avgaserna. När rymdfarkosten klättrar, trycks den yttre klockan tillbaka ner över den inre klockan för att öka dragkraftseffektiviteten. Således kan ett expanderande munstycke ha två sweet spots, vilket kan leda till en stor förbättring av den totala prestandan.
Generellt enkelt i konceptet är det expanderande munstycket betydligt mer komplext att bygga än det kan verka. Motorklockorna måste kylas för att undvika skador från de heta raketavgaserna, och detta har gett problem med att expandera munstyckskonstruktioner. Kylningen åstadkoms normalt genom att köra antingen oxidationsmedlet eller bränslet (i fallet med LH2- drivna motorer) genom slangen i klockan. Med klockan i rörelse måste VVS-arbeten som transporterar kylvätskan till klockan vara flexibel och detta ökar komplexiteten till den grad att fördelarna med konstruktionen ofta anses vara för kostsamma. När det gäller flytande väte har vätskan också nackdelen att vara mycket reaktiv kemiskt, vilket gör en mängd vanliga flexibla material olämpliga för användning i denna roll.
Av ovannämnda skäl har modern design (t.ex. NK-33 -1, RL-10 A-4 och RL-10B-2) strålningskylda förstärkta kol- kolmunstyckesförlängningar som inte behöver några kylvätskerör alls.
Den första motordesignen som inkluderar ett expanderande munstycke verkar vara Pratt & Whitney XLR-129 . XLR-129 var avsedd att driva en McDonnell Aircraft boost-glide flygplansdesign som ingick som en del av Project ISINGLASS (eller RHEINBERRY) studie som tittade på uppföljningsdesigner för att ersätta Lockheed A-12 som precis skulle börja användas. Det var en flytande syre / vätgas som använde stegvis förbränning och genererade cirka 250 000 lbf (1 100 kN) dragkraft. En förstorad version av XLR-129 föreslogs för rymdfärjans huvudmotortävling , men denna vanns av RS-25 , en förstorad Rocketdyne HG-3 . Eftersom dessa motorer avfyras från startpunkten till extraatmosfärisk rymdflygning, kan vilken typ av höjdkompensation som helst förbättra deras totala prestanda dramatiskt. Det expanderande munstycket övergavs senare i en kostnadsbesparande fas, och RS-25 lider av en prestandaförlust på 25 % på låg höjd som ett resultat.
Glushko har använt ett expanderande munstycke på en design, RD-701 tripropellant raket . Finansieringen tog slut i och med den sovjetiska statens fall , men formgivarna är övertygade om att motorn har potential och har sökt flera parter för ytterligare finansiering.