Першочергово це був пост з мого телеграм-каналу, проте я подумав, що непогано було б опублікувати й тут, тому читати його слід відповідно.
Сопло ракетного двигуна виконує роль прискорювача газів, що утворені при згорянні палива в окиснику в камері згоряння. Воно “перетворює” потенціальну енергію газів (температуру, тиск) в кінетичну — швидкість (як би це заїждженно не звучало). З чим більшою швидкістю двигун відштовхне від себе продукти згоряння, тим більшу тягу (а, відповідно, й ефективність) він створить.
Існує кілька основних різновидів соплових апаратів ракетних двигунів: конічні та профільовані сопла.
Конічні мають одну значну перевагу: виходячи з назви можна зрозуміти, що їхня надзвукова частина має форму конуса, що спрощує виробництво.
Проте такі сопла мають велику довжину (для досягнення такої ж ефективності, як і профільовані), а, відповідно, площу стінки й вагу. Велика площа внутрішньої поверхні стінки створює великі втрати на тертя газу, що зменшує ефективність двигуна (окрім того, що конічні сопла відомі своїми втратами на розсіяння потоку).
Інша справа — профільовані сопла. Вони мають контур, який оптимально змінює значення та вектор швидкості потоку, щоб на виході з сопла той рухався паралельно його вісі і досяг максимальної швидкості. Це ідеальні профільовані сопла (лінія 6 на першому малюнку). Їхня довжина також є великою (адже кут розходження сопла з часом зростає все повільніше), хоч вони й ефективніші за конічні.
Через повільне зростання площі поперечного перерізу, проміжок ВС (на першому малюнку) є довгим, але його проєкція (на вертикальну вісь на тому ж малюнку) є незначною, хоча у створенні тяги відіграє саме це значення.
Вкупі з тим, що в цьому районі сопла тиск газів (який діє на цю проєкцію і тим самим створює тягу) уже геть малий, тяга, створювана проміжком ВС також є невеликою (лінія 1).
На відміну від проєкції ВС на вертикальну вісь, проєкція на горизонтальну є дуже великою, що в свою чергу спричиняє великі втрати (лінії 2) на тертя газу об стінку, зменшуючи сумарну тягу (лінія 3) (опустимо всі інші втрати). На якомусь етапі тяга починає зменшуватись, а маса й габарити продовжують рости (згадаємо також про обмеження на розміри двигунів в ракеті), тобто тепер ми погіршуємо характеристики двигуна.
Зокрема через це (окрім того, що збільшуючи площу вихідного січення ми знижуємо й температуру газу, яка може опуститись нижче кондинсаційного порогу деяких складників продуктів згоряння, наприклад, води — конденсація також викликає зменшення загальної ефективності) зазвичай сопла роблять вкороченими, (якщо спрощено) — відрізають зайву частину від ідеального сопла.
Наприклад, сопло RL-10B-2 (двигун LOX-LH, питомий імпульс = 465с.!, фото) має геометричне розширення (відношення вихідної площі сопла до площі критичного січення) 280:1! Але кут розходження на зрізі сопла все одно не дорівнює 0. Тобто всі інші втрати перевищують втрати на розсіяння.