Análisis del impacto de las geometrías de tobera tipo campana y tipo cono en el rendimiento de cohetes de pequeña escala mediante simulaciones CFD

Los avances recientes en la tecnología de cohetes se han centrado en mejorar la eficiencia, la seguridad y la rentabilidad de las misiones espaciales. Un área clave de investigación ha sido el diseño y la optimización de las toberas de cohete para maximizar el rendimiento en diferentes altitudes operativas. Este proyecto explora el desempeño de las toberas tipo campana y cónicas mediante simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD), y la implementación de un modelo unidimensional (1D), con el objetivo de identificar la geometría que ofrece un mayor impulso específico en diversas condiciones operativas. El estudio comenzó con una revisión detallada de la documentación técnica del equipo 124 de la Spaceport America Cup, centrándose en las dimensiones de la tobera cónica utilizada por el equipo, el propelente utilizado y los datos experimentales. Estos parámetros sirvieron para diseñar una tobera tipo campana semejante a la tobera conica utilizando el software RPA. Se realizaron simulaciones en ANSYS Fluent a tres altitudes: Nivel del mar, 15,000 ft y 30,000 ft. Los resultados revelaron fenómenos clave del flujo, incluyendo subexpansión, sobreexpansión, ondas de choque oblicuas en la tobera cónica y ondas de choque de separación en la tobera tipo campana. La tobera tipo campana demostró una ventaja consistente en el rendimiento, alcanzando números de Mach más altos y optimizando el empuje axial gracias a su región de kernel dominante, a pesar de requerir una longitud total menor. Tanto el modelo 1D como las simulaciones CFD fueron validados con datos experimentales del equipo 124, obteniendo resultados consistentes, lo que respalda la precisión de las metodologías empleadas. No obstante, se identificó el uso de aire como fluido en las simulaciones como la principal fuente de error, dejando margen para futuras mejoras en la caracterización termodinámica de los gases de combustión. Los hallazgos destacan las fuertes ventajas de las toberas tipo campana para aplicaciones competitivas a pequeña y mediana escala como la Spaceport America Cup y subrayan la importancia de realizar investigaciones adicionales en el diseño y validación de toberas de cohete.

• Autores: Jaimes Rincón, Nicolás
• Tipo de recurso: Trabajo de grado de pregrado
• Fecha de publicación: 2025
• Institución: Universidad de los Andes
• Repositorio: Séneca: repositorio Uniandes
• Idioma: spa
• OAI Identifier: oai:repositorio.uniandes.edu.co:1992/75659
• Acceso en línea: https://hdl.handle.net/1992/75659
• Palabra clave: Dinámica de fluidos computacional; Tobera cónica; Tobera campana; Ondas de choque; Impulso específico; Ingeniería
• Rights: openAccess
• License: Attribution 4.0 International