Innovative elliptical dual bell nozzle design proposal: comparison with conventional dual bell nozzle design

Abstract

Rocket nozzles are vital for space propulsion, converting the energy of combustion gases into forward thrust. Among various designs, double-bell nozzles stand out as a promising solution for enhancing first-stage rocket engines, offering two operating modes suited for different altitudes to reduce mismatch losses. Traditionally, these nozzles have a cylindrical section and have been studied through numerous experiments and simulations. On the other hand, double-contoured nozzles represent a significant advancement in space propulsion, providing adaptive dynamic design to optimize the performance of rocket engines at different altitudes. With their ability to adjust shape for optimal expansion of exhaust gases at various altitudes, they enable increased efficiency throughout the flight. This adaptability can translate into payload increase or overall energy efficiency improvement of the propulsion system, thus opening promising prospects for the future of space exploration and transportation. By proposing an innovative approach with an elliptical outlet section dual bell nozzle, our work aims to broaden design possibilities and enhance rocket nozzle performance. A computational fluid dynamics (CFD) based numerical study will be undertaken to assess thermodynamic parameters and performance of this nozzle, providing insights into potential advantages of this innovative design. A comparative analysis will then be conducted with a conventional double- bell nozzle, thus offering insights into potential benefits of this innovative design.

Résumé: Les tuyères de fusée sont essentielles à la propulsion spatiale, car elles convertissent l'énergie des gaz de combustion en poussée vers l'avant. Parmi les différentes conceptions, les tuyères à double cloche se distinguent comme une solution prometteuse pour améliorer les moteurs de fusée du premier étage, offrant deux modes de fonctionnement adaptés à différentes altitudes pour réduire les pertes par désadaptation. Traditionnellement, ces tuyères ont une section cylindrique et ont été étudiées à travers de nombreuses expérimentations et simulations. D'autre part, les tuyères à double contour représentent une avancée significative dans la propulsion spatiale, offrant une conception dynamique adaptative pour optimiser les performances des moteurs de fusée à différentes altitudes. Grâce à leur capacité à ajuster leur forme pour une expansion optimale des gaz d'échappement à différentes altitudes, ils permettent une efficacité accrue tout au long du vol. Cette adaptabilité peut se traduire par une augmentation de la charge utile ou une amélioration globale de l'efficacité énergétique du système de propulsion, ouvrant ainsi des perspectives prometteuses pour l'avenir de l'exploration et des transports spatiaux. En proposant une approche innovante avec une tuyère à double cloche à section de sortie elliptique, notre travail vise à élargir les possibilités de conception et à améliorer les performances des tuyères de fusée. Une étude numérique basée sur la dynamique des fluides computationnelle (CFD) sera entreprise pour évaluer les paramètres thermodynamiques et les performances de cette buse, fournissant ainsi un aperçu des avantages potentiels de cette conception innovante. Une analyse comparative sera ensuite menée avec une buse à double cloche conventionnelle, offrant ainsi un aperçu des avantages potentiels de cette conception innovante.