Diseño de la tobera de un cohete con el método de las características y comparación con código CFD

Abstract

La tobera es el elemento del cohete encargado de transformar la energía térmica creada en la combustión de propergoles en energía cinética, esto es, en el empuje que desarrolla el cohete. En este proyecto se diseña, analiza y optimiza la parte divergente de una tobera considerando que posee una geometría con simetría axial, es decir, que el diseño se reduce a una curva revolucionada sobre un eje axial. El diseño paramétrico del contorno sigue el procedimiento estándar para el diseño de toberas supersónicas, el método de las características (MOC) considerando simetría axial. Aplicando esta técnica se obtiene un contorno aproximadamente acampanado el cual descarga el flujo con la dirección y velocidad deseadas pero con el inconveniente de tener una longitud excesiva comparada con los modelos reales. Este último resultado lleva a realizar una optimización. El análisis del diseño original se realiza aplicando la dinámica de fluidos computacional (CFD). El código resuelve las ecuaciones de Euler para geometría axisimétrica mediante el técnica de los volúmenes finitos. El sistema de ecuaciones resultante se computa utilizando la separación del sistema en uno que contiene el término fuente y otro puramente convectivo que, a su vez, es resuelto utilizando un esquema MUSCL junto con el método de resolución del flujo entre celdas HLLC. Los resultados obtenidos verifican el diseño realizado con el MOC aunque con errores debidos a la discretización del propio método.