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Propulsori spazialeCenni preliminari
Ultimo aggiornamento: 17/01/13 - 16.54.34
Filippo Maggi2
Schema generico di un endoreattore
•Chimica
•Nucleare
•Elettrica
•Radiante
• Termica
• Elettrica
Filippo Maggi3
Tecnologie propulsive e prestazioni / 1
Velocità efficace
Spinta/Peso
Filippo Maggi4
Tecnologie propulsive e prestazioni / 2
Filippo Maggi5
Tecnologie propulsive: impieghi
Diverse prestazioni comportano diversi impieghi
Lancio:Solo propulsione chimica per rapporto Spinta/Peso
Filippo Maggi6
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
Filippo Maggi8
• 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
Filippo Maggi9
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
Filippo Maggi10
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
Filippo Maggi11
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
Filippo Maggi12
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
Filippo Maggi13
NC-NGOmomgeneo
AP-Al-HTPBEterogeneo
N. Kubota, Propellants and Explosives, Wiley, 2002
Prima classificazione / 2
Filippo Maggi14
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
Filippo Maggi15
• 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
Filippo Maggi16
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
Filippo Maggi17
• 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
Filippo Maggi18
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
Filippo Maggi19
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
Filippo Maggi20
Grani di propellente
Regressione di un grano solido (sezione)
Esempi di sezioni trasversali di grano solido
Esempi di sezioni di motori
Filippo Maggi21
Grani di propellente: foto
Filippo Maggi22
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
Filippo Maggi23
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
Filippo Maggi24
Caratteristiche meccaniche / 2
Proprietà dell'elastomero di base:
Allungamento a rottura: 100-400%Modulo elastico: 0,7-1,0 MPa
Filippo Maggi25
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
Filippo Maggi26
Accenditori / 2
IN TESTA: maggiore convezione e trasferimento termico a pari temperatura
ALL'USCITA: minor convezione ma, se viene scaricato, alleggerisce le masse inerti
Filippo Maggi27
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
Filippo Maggi28
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
Filippo Maggi29
Case: tipologia di carichi
Environmental conditions: temperature, corrosion, vacuum, radiation, ...
Filippo Maggi30
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
Filippo Maggi31
Case: materiali
Filippo Maggi32
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.
Filippo Maggi33
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
Filippo Maggi34
Sezione di un case in acciaio
Agganci e installazioni sono fatte mediante inspessimento locale del metallo
Filippo Maggi35
Sezione di un case in composito
• La camicia esterna serve per rinforzare la parte cilindrica • Sono necessari rinforzi e inserti per assemblare altri componenti
Filippo Maggi36
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.
Filippo Maggi37
Protezioni termiche / 1
Filippo Maggi38
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
Filippo Maggi39
La parte terminale della protezione termica è libera di muoversi, impedendo la concentrazione del carico in zona terminale
Riduzione carico assiale sulla protezione
Filippo Maggi40
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)
Filippo Maggi41
Ugello – Protezione termica
Ugelli per piccoli motori
Ugelli con giunzione flessibile per TVC
Filippo Maggi42
Sistemi di attuzione dell'ugello
Attuatori per il TVC dello Shuttle – Volo STS 102
Filippo Maggi43
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
Filippo Maggi47
Esempi di SRM - 5