Como os bicos do motor de foguete são capazes de sobreviver a temperaturas muito altas sem derreter?

Há, na verdade, muitas informações sobre o assunto no site da Braeunig Noções básicas de vôo espacial . Para dar os principais pontos:

Motores de foguete movidos a líquido

Tanto o bocal como a própria câmara de combustão precisam ser resfriados. Embora a maior parte da energia térmica produzida seja ejetada com o escapamento, algumas delas elevarão as temperaturas do hardware, se não forem verificadas. As técnicas incluem:

• Resfriamento regenerativo, onde os propergóis (ambos os propergóis, ou apenas o combustível) são bombeados através de uma jaqueta ao redor do bocal antes de entrar na câmara de combustão. Isso esfria o bocal e aquece as propergóis que podem ser criogênicas por natureza. Isso é o que foi usado nos motores Rocketdyne F-1 do Saturn Vs e nos motores principais do ônibus espacial.
• Despeje o resfriamento, semelhante ao descrito acima, mas o combustível usado para resfriar o bico é despejado ao mar em vez de ser alimentado na câmara de combustão e usado como combustível.
• Filme e resfriamento transpirativo, onde uma película fina de refrigerante ou combustível é criada perto da parede da câmara.
• Resfriamento ablativo, onde parte da câmara de combustão ou parede do bocal é sacrificada. À medida que o material é derretido ou queimado, ele absorve parte da energia térmica, salvando assim o que estiver por trás dele.
• Resfriamento por radiação, onde o projeto do bico é tal que o calor tem tempo para ser evacuado pela parede externa da peça. Isso é usado principalmente em motores pequenos, não principais.

Motores de foguete de combustível sólido

Nenhuma informação disponível. Nada. Zilch Nada.

Parece que os materiais do bico e da câmara de combustão precisam apenas ser strongs o suficiente para suportar o calor dos gases queimados. Vale a pena notar que os motores de foguete sólido são projetados para queimar apenas uma vez e por um período de tempo relativamente curto (até mesmo os propulsores do Ônibus Espacial foram extensivamente revisados antes de serem colocados em serviço novamente, com todas as peças necessárias trocadas). Os motores de foguete precisam suportar as condições de trabalho por apenas alguns minutos, em vez das milhares de horas que uma turbina a jato de motor A / C deve funcionar sem falhas.

Também seria razoável admitir - embora isso seja estritamente algo que estou fazendo em movimento, com muita agitação - com as técnicas descritas acima para motores de foguete movidos a líquido, pelo menos dois poderiam ser facilmente adaptados para motores sólidos:

• Resfriamento de filme, com um tanque extra de líquido de resfriamento a bordo.
• Resfriamento ablativo, com algum material de refração usado para revestir a superfície interna do bocal.

Foguetes sólidos

O ambiente de um bocal de foguete sólido é realmente muito duro. Em 1975, a Nasa publicou o SP-8115 especificamente sobre bicos sólidos de motor de foguete:

...design values a designer might encounter: throat diameters from about 1/2 inch to nearly 90 inches, motor pressures from under 400 pounds per square inch to 2000 pounds per square inch, expansion ratios from less than 4 to over 50, firing durations from less than one second to 200 seconds, thrust from a few hundred pounds to over 5 million pounds, flame temperatures from 5100° F to over 6000° F, and a wide variety of propellant compositions.

Na época, os bicos eram feitos de uma única peça de grafite policristalina moldada, suportada por estruturas metálicas de alojamento. Eles corroeram (ablativo), mas foram de baixo custo.

O tungstênio foi usado por um tempo, mas era pesado e freqüentemente rachado.

Os avanços posteriores levaram à alta resistência da fibra de carbono e matriz de carbono, muitas vezes referida como um "carbono-carbono "material .

Carbono-Carbono

Também chamado de carbono-carbono reforçado, é usado hoje em uma ampla variedade de indústrias, desde as bordas das asas e cones de nariz de espaçonaves e ICBMs até os rotores de freio de um carro de corrida. Em algumas formas, é bem mais de US $ 100.000 por metro quadrado.

Não apenas suporta altas temperaturas, como também pode suportar choques térmicos e baixo coeficiente de expansão térmica. Isso significa um risco significativamente reduzido de rachaduras devido ao estresse térmico.

É uma cerâmica frágil, porém, com resistência ao impacto reduzida em comparação com alguns materiais de alta temperatura. Foi este material que quebrou no Ônibus Espacial Columbia devido a uma greve de isolamento que levou à posterior destruição do ônibus espacial na reentrada.

Em um bocal de foguete, a resistência ao impacto não é um problema - o choque térmico e a temperatura são, portanto, esse material é ideal para esse uso. Mesmo assim, ainda é ablativo e não é considerado reutilizável. Os foguetes reutilizáveis, no entanto, são quase sempre da variedade líquida para fins de reabastecimento, e esses bicos são resfriados por líquido das fontes de combustível criogênico.

Fontes:

• Bicos Sólidos para Motores de Foguete. NASA SP-8115

• Elementos de propulsão de foguetes
  Por George P. Sutton, Oscar Biblarz

Em alguns casos, o próprio combustível será circulado por meio de tubos no bocal para manter o bocal dentro de uma faixa de temperatura operacional definida.

Esse é o caso do Rocketdyne F-1 , por exemplo.

Editar

Acabei de notar um comentário referindo-se a essa prática. O F-1 é realmente o motor que foi usado no Saturno V.

Lembro-me de ver este vídeo do Youtube que fornece a maior parte da ciência e tecnologias necessárias para construir um obturador espacial. E também explicou como o bocal sobrevive do calor gerado pelo foguete.

Basicamente, ele passa o combustível para o motor através de pequenos tubos na camada externa dos bicos, onde o combustível é muito frio.

Como o combustível é frio, o calor da chama do foguete será absorvido pelo tubo do combustível e evitando contato direto com o calor (o que eu presumo que seja o que eles chamam de Equilíbrio Térmico?). Portanto, evitando o calor para derreter o bocal.

Responder por @ALAN WARD é muito mais preciso do que o meu, mas acho que o vídeo pode facilitar o entendimento.

Felicidades.