Propulsori spaziale Cenni preliminari · • Combustione dominata dal processo di diffusione dei...

Propulsori spazialeCenni preliminari

Ultimo aggiornamento: 17/01/13 - 16.54.34

Filippo Maggi2

Schema generico di un endoreattore

•Chimica

•Nucleare

•Elettrica

•Radiante

• Termica

• Elettrica

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Tecnologie propulsive e prestazioni / 1

Velocità efficace

Spinta/Peso

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Tecnologie propulsive e prestazioni / 2

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Tecnologie propulsive: impieghi

Diverse prestazioni comportano diversi impieghi

Lancio:Solo propulsione chimica per rapporto Spinta/Peso

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Lancio: propulsione chimica

Scelta del rapportoSpinta/Peso è un compromessoPer valori alti:• Alte perdite per alta velocità• Perdite ridotte per tempo di transito in atmosfera ridotto • Perdite ridotte per tempo di combustione ridotto e g media minore

Eq. di Tsiolkovsky nel caso di lancio verticale:

ΔV= I s g0 lnM 0

M f

−BCD A

M 0

−g tb

ResistenzaAerodiamica Perdite per

gravità

Propulsori aPropellente solido

Ultimo aggiornamento: 17/01/13 - 16.54.37

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• Semplice costruzione• Semplice gestione• Rapido utilizzo• Economico e compatto• Alta densità energetica

• Spinta non modulabile durante in funzionamento• Accurato progetto della camera di combustione

Sistema a propellente solido

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Specifiche di sistema

Utilizzo come sistema di propulsione primaria: 106 – 107 N di spinta

Utilizzo come “upper stage”: 105 N di spinta

Utilizzo come motore di apogeo: 104 N di spinta

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Elementi principali

• Propellente: temperatura combustione a circa 3000-3500 °C• Pressione: deriva da accoppiamento tra massa prodotta e scaricata• Spinta: espansione dei gas caldi in ugello• Accenditore: inizia il processo di combustione• Case e protezioni termiche: struttura e resistenza al calore

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Propellente solido

• Sistema chimico e fisico che contiene sia il combustibile che l'ossidante in forma solida

• Il calore della fiamma decompone il materiale e libera i suoi componenti che alimentano la fiamma AUTOSOSTENUTA

• E' qui riportato il tipico profilo termico di una fiamma

300K Circa 900K Circa 3000 K

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Prima classificazione / 1

Propellenti solidi omogenei

Propellenti solidi eterogenei

• In genere sono nitropolimeri o miscele di nitropolimeri con altri composti a base di gruppi nitrili e idrogeno (Doppie basi come NC/NG)• In combustione generano una miscela circa stechiometrica• Materiali molto reattivi• Legame è solo a livello molecolare• Combustione dominata dalla pressione

• In genere sono miscugli di polimeri e ingredienti solidi• In combustione generano una miscela circa stechiometrica• Materiali meno reattivi• Legame è a livello meccanico• Combustione dominata dal processo di diffusione dei reagenti

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NC-NGOmomgeneo

AP-Al-HTPBEterogeneo

N. Kubota, Propellants and Explosives, Wiley, 2002

Prima classificazione / 2

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Alcuni Ingredienti tipici Densità g/cm3

Frazione massica

Ossidante Ammonio PercloratoAmmonio Nitrato (298K)Potassio Nitrato

1,951,722,11

60-90%

Legante HTPB, CTPB, PBAN, PEG, PPG (Elastomeri)

0,90 circa 8-20%

Combustibile AlluminioMagnesioBoro

2,701,742,34

0-20%

Materiale principale per uso civile

Miscela (principalmente) meccanica di diverse fasi

• Polveri micrometriche e nanometriche• Matrice polimerica che conferisce proprietà meccaniche

• Densità finale: 1,6 – 1,9 g/cm3

Propellente solido composito eterogeneo

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• Vengono miscelati al pre-polimero i materiali solidi insieme ad agenti che facilitano la lavorabilità (plasticizzanti) e ad agenti curanti (reticolazione del polimero)

• Si parte dal pre-polimero che è un liquido di viscosità variabile, base del polimero finale

• Il materiale, ora liquido ad alta viscosità, viene colato in stampi di formatura e subisce il processo termico di cura e reticolazione che lo solidifica

NASA

ISRO

Preparazione

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Combustione del propellente solido

• Il propellente, bruciando, regredisce normalmente a sé stesso e cambia la superficie di combustione nel tempo

rb= x t

x

t0 tt0

In un campione da laboratorio

rb=Δ xΔ t

x

t0 tt0

In un campione da laboratorio Sequenza di regressione in un motore

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• La velocità di combustione segue la legge empirica di Vieille: rb=a Pcn

Legge di Vieille-Saint Robert

Parametri (a,n) definiti mediante interpolazione di dati sperimentaliIn un grafico bi-logaritmico la curva interpolante è una retta

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Pressione di combustione: esponente n

La pressione in camera di combustione, in stato quasi-stazionario, è un bilancio tra massa prodotta dal propellente e massa scaricata dall'ugello

m p=mu

A brbp Atc*

A ba pn

Esponente n > 1: motore instabileEsponente n < 1: motore stabile

Ab: superficie di combustione

ρ: densità del propellenteP

c: pressione di combustione

C*: velocità caratteristica

Pressione

Flu

sso

di m

ass a per n<1

per n>1m p

m p

mu

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Pressione di combustione: Supericie di combustione

• Diverse forme iniziali del grano di propellente portano a diverse “storie” di pressione nel tempo perché cambia la superficie di combustione

m p=mu Pc=C * Aba

A t11−n

La superficie di combustione determina la pressione a cui il sistema si stabilizza

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Grani di propellente

Regressione di un grano solido (sezione)

Esempi di sezioni trasversali di grano solido

Esempi di sezioni di motori

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Grani di propellente: foto

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Scelta della configurazione

La scelta del tipo di grano influenza parametri di riempimento,Spostamento del centro di gravità, andamento pressione/tempo

b f=2b

diameterV f=

Propellant volumeC.C.Volume

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Caratteristiche meccaniche / 1

Materiale viscoelastico non lineare con proprietà dipendenti dalla composizione

Progressivo irrigidimento e riduzione dell'allungamento a rottura con l'aggiunta di ingredienti solidi e diminuzione del legante

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Caratteristiche meccaniche / 2

Proprietà dell'elastomero di base:

Allungamento a rottura: 100-400%Modulo elastico: 0,7-1,0 MPa

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Accenditori / 1

Pirotecnico

Pirogeno

Simile ad un piccolo motore a razzo con ugelli multipliAccensione prevalentemente convettiva

Utilizza materiali energetici o esplosivi in forma di pellets per una combustione rapida.Accensione anche per via radiante grazie alla tipologia dei prodotti di combustione contenente particolato

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Accenditori / 2

IN TESTA: maggiore convezione e trasferimento termico a pari temperatura

ALL'USCITA: minor convezione ma, se viene scaricato, alleggerisce le masse inerti

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Accenditori / 3

Zefiro 9 Igniter: pyrotechnic igniter (left)

main igniter (right)

Tipico transitorio di accensione:I. InduzioneII. Diffusione della fiammaIII.Riempimento della camera

Nei motori di grandi dimensioni questo processo richiede un'accensione multistadio

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Accenditori / 4

Prima stima della carica di accensione:

M ign=0,12V F 0,7

Vf: in pollici cubiMign: in grammi

Attenzione all'intervallo di interpolazione

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Case: tipologia di carichi

Environmental conditions: temperature, corrosion, vacuum, radiation, ...

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Case: tecnologie

Motore Caricato Vuoto Tipo

ARI 4 11.6 2.0 Acciaio

ARI5 269 31 Acciaio

Vega Z9 11.4 0.9 Carbon/epoxy

Vega P80 92.4 7.4 Carbon/epoxy

GEM 40 13.1 1.4 Carbon/epoxy

CASTOR 120 53.1 4.1 Carbon/epoxy

CASTOR 4 10.5 1.3 Acciaio

Dati in tonnellate

Tipologie di tecniche costruttive:

• Metalli ad alta resistenza (acciaio, alluminio, leghe di titanio) • Filament-winding

Conseguenze su peso a vuoto e, di conseguenza, carico pagante

La forma del case è dettata dalla forma del grano.

Possibili allungamenti della struttura anche con L/D > 10

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Case: materiali

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Vantaggi delle tecnologie costruttive

Case MetallicoCase Filament Winding

•Maggior robustezza

•Resistenza al riscaldamento (minor protezioni termiche)

•Non si deteriora nel tempo

•Meno sensibile alle condizioni ambientali

•Resiste maggiormente ai carichi concentrati

•In genere il sistema che ne deriva occupa meno volume

• Ottimizzando la direzione delle fibre si ottiene un case più leggero.

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Filament winding

• Si può lavorare con filamenti oppure con bande pre-impregnate di resina termoindurente

• La resina ha il compito di mantenere in posizione le fibre

• Il sistema viene polimerizzato in forno

• In fase di progetto, la condizione di rottura coincide con il portare le singole fibre al carico di rottura

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Sezione di un case in acciaio

Agganci e installazioni sono fatte mediante inspessimento locale del metallo

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Sezione di un case in composito

• La camicia esterna serve per rinforzare la parte cilindrica • Sono necessari rinforzi e inserti per assemblare altri componenti

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Altri componenti

Liner: materiale gommoso che viene deposto in strato sottile tra il case di acciaio e il propellente o la protezione termica. Serve per avere una buona adesione del propellente e permettere lo scorrimento tra propellente e case vicino all'ugello

Protezioni termiche: materiale gommoso il cui scopo primario è l'isolamento termico del case. Tipicamente si utilizza un polimero chiamato EPDM (densità 0,86). Lo spessore dipende dal tempo di esposizione alla fiamma.

Inibitore: è un materiale simile all'isolante termico che viene applicato direttamente sul propellente in zone dove la fiamma non deve propagarsi e il propellente non deve bruciare.

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Protezioni termiche / 1

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Protezioni termiche / 2

Funzionamento dei materiali ablativi

•Generazione di un cuscinetto di gas relativamente freddi•Generazione di uno strato poroso•Rimozione di calore per pirolisi

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La parte terminale della protezione termica è libera di muoversi, impedendo la concentrazione del carico in zona terminale

Riduzione carico assiale sulla protezione

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Ugello

L'ugello provvede all'accelerazione del gas.

Diverse configurazioni esistenti a seconda dell'applicazione

Deve essere protetto dalle alte temperature dei gas con metodi passivi (protezioni termiche)

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Ugello – Protezione termica

Ugelli per piccoli motori

Ugelli con giunzione flessibile per TVC

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Sistemi di attuzione dell'ugello

Attuatori per il TVC dello Shuttle – Volo STS 102

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Esempi di SRM - 1

Filippo Maggi44

Esempi di SRM - 2

Filippo Maggi45

Esempi di SRM – 3

Filippo Maggi46

Esempi di SRM - 4

Valori di massa in libbre

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Esempi di SRM - 5