Do lĩnh vực này cũng khá nhiều nên mình sẽ chỉ giới thiệu bao quát thôi, còn đầy đủ về vấn đề này mình sẽ dịch cuốn Rocket Propulsion Elements đưa lên sau.


Ống phun tên lửa: De Laval nozzle
Ống phun tên lửa thường gặp nhất là loại ống phun De Laval, được kĩ sư người Thụy Điển Gustaf De Laval phát minh năm 1888 để dùng trong động cơ hơi nước, sau này được Robert Goddard ứng dụng đầu tiên vào động cơ tên lửa. Hầu hết các động cơ tên lửa ngày nay đều sử dụng loại ống phun này.
Cơ chế hoạt động của ống phun này dựa vào đặc điểm khác nhau của khí khi di chuyển ở tốc độ dưới âm và siêu âm. Theo chiều từ trong buồng đốt đi ra, tiết diện của ống phun sẽ thu hẹp với góc lớn, đạt tiết diện nhỏ nhất tại miệng phụt (throat) rồi sau đó mở rộng ra dần với góc nhỏ hơn với tiết diện sau cùng là miệng thoát (exit). Khí cháy từ trong động cơ đi qua ống phun sẽ được gia tốc, khi tới miệng phụt khí đạt tốc độ âm thanh (Mach=1), khi đi ra tiết diện mở rộng, khí dãn nở nhưng với mức độ nhanh hơn mức độ tăng của tiết diện ống phun, nhờ đó vận tốc luồng khí được tăng lên và khi tới miệng thoát vận tốc khí đã đạt siêu thanh (Mach >1). Như vậy, khi đi qua ống phun, dòng khí sẽ giảm áp và năng lượng nhiệt được chuyển hóa trực tiếp thành động năng, nhờ đó lực đẩy của động cơ được tăng lên và có thể đạt gấp đôi lực đẩy của động cơ cùng loại nhưng sử dụng ống phun có tiết diện không đổi. Nói chung, tỉ lệ De/Dt càng lớn thì hiệu suất chuyển đổi năng lượng của ống phun càng cao, hiệu suất cao nhất khi hoạt động trong chân không vũ trụ và De tiến đến vô cùng.


Dual-bell nozzle
Ống phun De Laval thông thường nếu được thiết kế để hoạt động ở độ cao lớn, khi hoạt động ở áp suất khí quyển cao hơn sẽ gây ra hiện tượng giãn nở quá mức của dòng khí, hệ quả là dòng khí tách rời ra khỏi bề mặt trong và chệch khỏi trục ống phun, gây ra ứng suất lớn phá hủy ống phun. Để khắc phục hiện tượng này, trong những động cơ hoạt động trong một dải độ cao rộng, nhất là dạng single-stage-to-orbit (SSTO), người ta sử dụng các ống phun có thể tự điều tiết theo độ cao (altitude compensation). Dựa trên cơ sở ống phun De Laval thông thường, người ta đã chế tạo ra loại ống phun Dual-bell, cấu tạo giống như 2 ống phun De Laval ghép vào nhau (“dual” là kép, “bell” là do ống phun có dạng giống như cái chuông). Ở độ cao thấp, khí cháy phủ kín phần ống phun nhỏ, khi lên độ cao lớn, khí giãn nở và phủ kín toàn bộ ống phun, tạo ra sự điều tiết, tuy nhiên không hoàn toàn mà chỉ ở các độ cao thiết kế.
Loại ống phun này vẫn còn trong giai đoạn thử nghiệm ở kích thước nhỏ và trung bình.

Ảnh: một ống phun loại Dual-bell thông thường.

Và đây là 2 chế độ hoạt động chính của ống phun này.


Aerospike nozzle - Plug nozzle
Ống phun Aerospike (thật ra gọi là ống phun không đúng với cấu tạo của bộ phận này, nhưng cứ tạm gọi vậy đi) là một trong những loại ống phun tự điều tiết theo độ cao. Nhiên liệu được đốt trong những buồng riêng biệt, khí cháy tạo thành sẽ được phun vào mặt ngoài của vật có hình dạng giống như một cái nêm với đỉnh nhọn, gọi là “spike”, tạo thành một phần ống phun De Laval “ảo”, phần còn lại tạo thành từ không khí phía bên ngoài – “aero”, ghép lại ta có tên gọi Aerospike. Trong quá trình đi qua nêm nhọn khí cháy sẽ giãn nở và chuyển hóa năng lượng tương tự như ống phun De Laval, đỉnh nhọn càng kéo dài thì hiệu suất càng cao, tương đương với việc De tiến đến vô cùng như loại ống phun De Laval, chữ “ảo” ở trên chính là vì lí do này. Ống phun Aerospike khắc phục được hiện tượng giãn nở quá mức là vì khi đi ra khỏi buồng đốt riêng biệt, khí cháy vẫn còn đang ở áp suất khá cao, trong lúc đi qua nêm nhọn, áp suất không khí giảm đến đâu khí cháy sẽ giãn nở tới đó, tạo ra sự tự điều tiết tuyến tính.
Tuy có những ưu điểm hơn so với ống phun De Laval thông thường nhưng nó vẫn chưa từng được dùng để phóng một thiết bị mang tính thương mại nào cả.
https://www.youtube.com/watch?featur...&v=DacGl9drefg
Clip thử nghiệm động cơ sử dụng ống phun Aerospike cổ điển.

Ống phun Aerospike, cũng như ống phun De Laval, để đạt hiệu suất tối đa thì phải dài đến vô cùng, để giảm thiểu sự cồng kềnh và khối lượng nặng của một ống phun quá dài gây nên, đối với những ống phun cỡ trung bình trở lên người ta đã cắt bớt phần dưới nó. Tuy nhiên do cắt bớt như vậy sẽ tạo thành một vùng áp suất thấp tại mặt phẳng cắt, làm tăng lực cản khí động lên tên lửa, để khắc phục người ta phun vào vùng mặt cắt này một lượng khí nhỏ(khoảng 1% tổng lưu lượng khí) để tăng áp, giảm thiểu lực cản. Loại ống phun bị cắt ngắn bớt gọi là truncated aerospike.

Ảnh: dòng khí tại các cao độ khác nhau.

Ống phun Linear aerospike là một biến thể của loại ống phun Aerospike tròn bình thường.

Ảnh: Thử nghiệm tĩnh động cơ Aerospike XRS-2200 thuộc dự án X-33, vào ngày 6/8/2001 tại trung tâm vũ trụ Stennis của NASA.
Các bạn có thể xem them về dự án đó tại đây: http://en.wikipedia.org/wiki/Lockheed_Martin_X-33

Và clip thử nghiệm động cơ XRS-2200 :
https://www.youtube.com/watch?featur...&v=FcW9kUUTfxY

Khi động cơ tên lửa hoạt động ổn định ở độ cao thấp, dù ít hay nhiều vẫn tồn tại tải trọng biên lên phần loe rộng của thành ống phun. Trong quá trình nghiên cứu về tải trọng biên và cách giảm thiểu nó, hãng Volvo đã phát minh ra loại ống phun hình đa giác (Polygon), trong các thử nghiệm tĩnh loại ống phun này đã giảm được khoảng 20-30% tải trọng biên so với ống phun cùng kích thước của kiểu động cơ Vulcain, tuy nhiên do hình dạng góc cạnh của mình, nó làm giảm lực đẩy đi một chút.


Khi nhìn vào luồng khí phụt ra từ động cơ tên lửa hoặc động cơ phản lực lúc chúng hoạt động, chúng ta thường thấy những đốm nhỏ sáng hơn nổi bật trong luồng khí, những đốm này thường gọi là mach diamond hay shock diamond bởi vì chúng có quan hệ với sóng xung kích. Vậy cơ chế tạo thành nó là gì?
Đầu tiên chúng ta trở về một chút với lí thuyết ống phun de Laval: trong quá trình đi qua ống phun, luồng khí sẽ dãn nở, áp suất giảm xuống và tốc độ tăng lên, nếu áp suất khí khi đi qua khỏi miệng ống phun nhỏ hơn áp suất khí quyển bên ngoài tức là nó đã dãn nở quá mức (overexpanded), còn nếu áp suất khí nhỏ hơn nghĩa là nó dãn nở chưa hết mức (underexpanded).
Trong trường hợp đầu, áp suất dòng khí nhỏ hơn áp suất khí quyển có tốc độ siêu thanh đi ra khỏi miệng ống phun, bị không khí nén lại và tạo thành sóng xung kích xiên (oblique shock waves), khiến áp suất của nó tăng lên, nhưng sự nén này thường quá mức, khiến áp suất của dòng khí lúc này lại cao hơn áp suất không khí bên ngoài, vậy là nó lại dãn nở. Nhưng sự dãn nở này thường xảy ra quá mức, khiến áp suất dòng khí lại nhỏ hơn áp suất khí quyển bên ngoài, và nó lại tiếp tục bị nén. Quá trình này lặp lại nhiều lần, qua mỗi vòng lặp chênh lệch áp của dòng khí và khí quyển bên ngoài lại giảm dần, đến khi bằng không thì hiện tượng mach diamond này cũng biến mất, đó là lí do tại sao chúng ta thấy nó chỉ xảy ra ở một đoạn giới hạn chứ không lặp lại mãi mãi.
Mặt khác, một sóng xung kích bình thường cũng được tạo thành và vuông góc với phương của dòng khí. Sóng này tạo thành một đĩa phẳng gọi là Mach disk trong lòng dòng khí. Đi qua sóng xung kích này khiến dòng khí nóng lên, kích cháy phần nhiên liệu dư còn sót lại trong khí cháy. Lượng nhiên liệu này cháy và phát sáng khiến ta có thể thấy phần Mach disk này.
Quá trình tương tự xảy ra với trường hợp khí dãn nở chưa hết mức, nhưng bắt đầu bằng việc dãn nở thay vì bị nén.
Hiện tượng này được đặt tên theo người đầu tiên mô tả nó - Ernst Mach.



Động cơ LOX/CH4 của hãng XCOR.


Máy bay SR-71B

(Dịch và tổng hợp)

View more random threads: