[AR] Re: Rao nozzle

  • From: "" <dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx> (Redacted sender "crogers168" for DMARC)
  • To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
  • Date: Tue, 25 Apr 2017 12:41:02 -0400


...Part 3 provides an equation for the nozzle static pressure where flow 
separation will occur in a bell nozzle (Pages 6-8 of the pdf), that 
being a bell nozzle without any special contouring...

< One caution:  Cornelisse et al, "Rocket Propulsion & Spaceflight 
< Dynamics", 1979, says the exact pressure depends somewhat on details like 
< wall roughness, pressure gradient, viscosity, and (especially) presence of 
< solid particles.

Agreed.  The equations are meant to be rules of thumb, a good starting point to 
avoid flow separation, if one has the design goal to avoid flow separation.


Our simple solution was to remove the J-2 nozzle extension, leaving just 
the regeneratively cooled nozzle inner expansion section.

< Um, as I understand it, the J-2 didn't have a nozzle extension.  The lower 
< half had some help from turbine-exhaust film cooling, but unlike the F-1, 
< that section was still tube-wall regen, rather than being otherwise 
< uncooled.

Yep, good catch.  It wasn't just film cooling.


< However, shortening a regen nozzle isn't necessarily a big deal.  The 
< shortened RL10s for DC-X likewise had a shorter version of the original 
< RL10's all-regen nozzle.

< Modern high-altitude engines sometimes deliberately put a manufacturing 
< joint in the nozzle at a suitable point, making shortening easy.

You can see from J-2 drawings where the manufacturing break was, and where we 
planned to remove the rest of the nozzle.


But as part of the study, we got to see a video of an early J-2 engine 
test at Santa Susana without the nozzle lip, where the flow separation 
at starting was very violent, and destroyed the engine.  After watching 
the video, the big take-away was avoid flow separation in liquid rocket 
engine nozzles.

< I.e., "we tried it once and it failed badly, so no variation on it could 
< possibly work".  Hundreds of Atlases flew successfully with sustainer 
< nozzles running separated at liftoff, although as I noted, this was never 
< widely advertised.  Avoiding separation certainly would make things 
< *easier*, and on a cost-constrained program that might be deemed 
< mandatory, but one should be aware that there is a choice there and 
< today's conventional wisdom is not the only way.

The SSME nozzle of course is the best example of sustained, stable flow 
separation at sea level operation, to allow a high expansion ratio for high 
altitude/vacuum operation.  It can be done, and the dual bell nozzle concept is 
based on a stable flow separation point at low altitude, and then full nozzle 
flow at high altitude/vacuum operation.

The question is really is the payoff in performance worth the potential 
development risk.  For an SSME running from lift-off to orbit one can see why 
they chose a nozzle with a stable flow separation point at low altitude.  Same 
with the sustainer motor on the Atlas, runs all the way to burnout on an ICBM 
trajectory.  For a small start-up company, with a two stage liquid rocket, the 
advantages for the Stage-1 nozzle might not be worth the development risk.

The performance benefit of a high expansion ratio nozzle with a stable low 
altitude flow separation point can be quantified.  You adjust the nozzle 
expansion ratio during the trajectory simulations, typically in a couple 
discrete step changes, low altitude with stable flow separation (low expansion 
ratio), and then a step change to full flow in the nozzle (high expansion 
ratio).  That performance benefit should then be weighed relative to the 
development risk.



Charles E. (Chuck) Rogers
CRogers168@xxxxxxx






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