CORSO DI PROPULSIONE AEROSPAZIALE (Lezione 12) Endoreattori convenzionali

Endoreattori convenzionali Introduzione Razzi a propellenti solidi Razzi a propellenti liquidi Razzi a propellenti ibridi Esempi  

Introduzione Con questa definizione vengono indicati tutti gli endoreattori nei quali la spinta è generata da un ugello (razzi di tipo termico) e l’energia termica fornita al propellente, che espande nell’ugello, è ottenuta, come negli aeroreattori, da un processo chimico di trasformazione dell’entalpia di formazione dei propellenti stessi (razzi di tipo chimico) Le prestazioni di un endoreattore (Isp e Spinta), lo sappiamo, dipendono: dal livello di energia raggiunto dai prodotti della combustione, dal loro peso molecolare e dal grado di sfruttabilità dell’energia stessa (η), come si deduce dalla espressione dell’Isp, scritta per un ugello adattato:   e dalla portata di propellente che fluisce dall’ugello, ovvero dalla pressione raggiungibile in camera di combustione, come si deduce dalla espressione della spinta

Propellenti solidi Propellenti liquidi Propellenti ibridi Introduzione (2) Se cambiamo i propellenti otteniamo prestazioni diverse. Possiamo distinguere tre tipologie principali di endoreattori, diverse fra loro per la natura fisica dei propellenti che utilizzano e conseguentemente per le prestazioni da essi fornite, ma sempre appartenenti al tipo che abbiamo definito convenzionale o chimico. Propellenti solidi   Propellenti liquidi Propellenti ibridi

Velocità di regressione Forma del grano Dimensionamento Razzi a propellenti solidi Caratteristiche Vantaggi e svantaggi Tipi di Propellenti Velocità di regressione Forma del grano Dimensionamento  

Caratteristiche sono presenti inizialmente tutti allo stato solido sotto forma di uno o più blocchi denominati “grani”, in genere colati direttamente nella camera di combustione o introdotti e sorretti alle pareti da speciali supporti. Ciò che caratterizza un razzo di tale tipo è, quindi, la semplicità : esso infatti non necessita di linee di alimentazione. Ma quello che è il suo pregio è anche il suo limite: non avendo liquidi a bordo, non può utilizzare un sistema di raffreddamento rigenerativo e questa è una delle cause che limitano il suo tempo di funzionamento.

Vantaggi Elevate spinte grazie all’elevato valore della pressione (fino a 300 atm) raggiungibile in camera di combustione . Questa è una diretta conseguenza della semplicità costruttiva di questo tipo di razzo. Non avendo linee di alimentazione, la struttura sollecitata dalle sollecitazioni meccaniche causate da valori di pressione elevati, è limitata alla sola camera di combustione. Propellenti conservabili molto più dei liquidi soprattutto certe categorie di liquidi: i cosiddetti liquidi criogenici (gas a temperatura ambiente e liquidi al di sotto della temperatura di ebollizione a qualsiasi pressione) Densità dei propellenti solidi quasi sempre maggiore di quella dei liquidi pertanto a parità di massa occupano minor volume con un risparmio in massa strutturale. Costo di produzione e di esercizio molto più basso di quello di un razzo a propellenti liquidi anche se il costo del propellente è talvolta maggiore.

Impulso specifico limitato (massimo 280 s) Svantaggi Profilo di Spinta prefissato dalla forma del grano e assenza di regolazione durante il funzionamento. Impulso specifico limitato (massimo 280 s) Prodotti di combustione inquinanti (ossidi di carbonio, particolato di carbone, acido cloridrico e nitrico) Consumo molto elevato di propellente che comporta un limite per il tempo di funzionamento, anche per la mancanza di un vero sistema di raffreddamento. Un tempo di funzionamento elevato comporterebbe masse e volumi di propellente enormi.

Propellenti compositi: Ossidanti: Perclorati o Nitrati Tipi di propellenti Propellenti compositi, costituiti cioè da un ossidante e un riducente miscelati fra loro: l’ossidante è sotto forma di cristalli di dimensioni ben definite dispersi in una matrice gommosa di riducente Propellenti omogenei o a doppia base sono praticamente esplosivi, sostanze che si decompongono esotermicamente e quindi con un opportuno innesco si decompongono fornendo gas ad elevata energia (la nitrocellulosa, ad esempio). Ma sono sostanze difficili da gestire Propellenti compositi: Ossidanti: Perclorati o Nitrati Riducenti: Polimeri (HTPB, Hydroxyl-terminated polybutadiene)

NaClO4 (52% di O2 in peso) NaNO3 (47% di O2 in peso) Ossidanti Perclorati Nitrati NaClO4 (52% di O2 in peso) NaNO3 (47% di O2 in peso) KClO4 (46% “ “ ) KNO3 (40% “ “ ) Mg(ClO4)2 (34% “ “ ) NH4NO3 (20% “ “ ) NH4ClO4 (25.2% “ “ ) Il Perclorato di Sodio che ha maggior potere ossidante, è estremamente sensibile agli urti; questa caratteristica è comunque comune a quasi tutti i propellenti solidi. I Perclorati di Sodio e di Potassio reagendo producono NaCl e KCl che sono sostanze solide bianche. Ciò significa che sviluppano fumi bianchi che rendono individuabile l’origine del lancio: non sono pertanto utilizzabili per applicazioni militari. Tutti i perclorati sviluppano HCl che produce una nebbia velenosa. Il Perclorato di Ammonio è il più usato perché non lascia tracce ed è poco sensibile agli urti proprio perché ha una bassa percentuale di Ossigeno nella molecola. Le dimensioni dei cristalli sono molto importanti per la determinazione della velocità di regressione della superficie del grano e per la efficienza della combustione.

Riducenti Il riducente costituisce la matrice nella quale sono inseriti i cristalli di ossidante e generalmente è costituito da un polimero (ad esempio HTPB: hydroxil terminated polibutadiene) possibilmente gommoso, capace di assorbire gli urti senza subire rotture Per aumentare il Calore di Reazione e quindi l’Isp, si disperdono nella matrice di riducente polveri di un metallo (ad esempio Alluminio o Boro) in una percentuale che può arrivare anche al 16 – 18%. Tali polveri hanno inoltre un effetto stabilizzante sui fenomeni di oscillazioni di pressione. Ovviamente come sempre ci sono effetti negativi: un aumentato flusso radiativo sulle pareti e un pericolo, se non di ostruzione, quantomeno di riduzione dell’area di gola ad opera di particelle incombuste (si studia sulla riduzione sempre maggiore delle dimensioni di tali polveri sino a misure nanometriche. Tipica composizione per ARIANE 5 (Perclorato di Ammonio 68%, 14% HTPB, 18% Al)

A regime tale portata deve eguagliare quella critica Velocità di regressione Con il termine velocità di regressione si indica lo spessore di propellente, in direzione normale alla superficie esposta, che brucia nell’unità di tempo, in altre parole è la velocità di avanzamento del fronte di fiamma in direzione ortogonale alla superficie del propellente. La portata di propellente prodotta in un razzo a propellenti solidi è uguale a A regime tale portata deve eguagliare quella critica

Velocità di regressione (2) Una delle più semplici relazioni semiempiriche confortate dalla verifica in molte situazioni sperimentali e da molti modelli numerici mette in correlazione la velocità di regressione con la pressione in camera che è senz’altro il parametro più influente Il coefficiente a dipende dalla temperatura a cui è conservato il grano prima di essere utilizzato: una temperatura molto bassa rende fragile il propellente mentre una temperatura alta lo rammollisce E’ importante che sia n < 1. Infatti tale coefficiente è chiamato anche indice di stabilità Se n < 1 ad un aumento improvviso di pressione corrisponde un aumento della portata prodotta minore dell’aumento della portata uscente dall’ugello e quindi la pressione ritorna al valore di regime. Il comportamento è stabile.

Velocità di regressione (3) La velocità di regressione può essere supposta uniforme su tutta la superficie esposta alla combustione nel caso di combustione a sigaretta ma quando il grano è perforato internamente il valore della velocità di regressione varia lungo l’asse, per diversi motivi fra loro collegati. Durante un processo di combustione il numero dei Mach aumenta e questo aumento non è trascurabile quando il flusso di massa dei gas è molto grande come nel caso dei propellenti solidi (grandi portate e sezioni di passaggio molto piccole inizialmente). La variazione del numero di Mach comporta una diminuzione di pressione e un aumento della velocità lungo l’asse Il primo effetto comporta una diminuzione della velocità di regressione, il secondo un consumo erosivo della superficie da parte dei gas caldi. I due effetti si compensano alquanto ma, quantitativamente, è estremamente difficile, se non impossibile, predire la legge esatta di variazione della velocità di regressione nel tempo e nello spazio.

Forma del grano Se la velocità di regressione è costante durante il funzionamento, la portata di propellente prodotta segue le variazioni dell’area esposta alla combustione Conseguentemente variano la pressione e quindi la temperatura in camera di combustione La spinta varierà seguendo, quindi, l’andamento dell’area esposta alla combustione

Forma del grano (2) C'è la possibilità che si verifichi nella fase di accensione un picco di pressione dovuto al ritardo all’accensione (si ha un accumulo di gas che reagisce inprovvisamente tutto insieme provocando un brusco aumento di pressione). I picchi nella fase finale sono dovuti a frammentazione del grano, diventato sottile e fragile, per cui la superficie esposta alla combustione diventa più grande di quella a regime e la portata di gas combusti più elevata

Geometria a stella Una tipica geometria è quella a stella che permette di avere una Spinta costante per un tempo relativamente lungo e inoltre sopporta bene le sollecitazioni dovute alla pressione soprattutto nella fase di accensione Nei razzi di grandi dimensioni il grano di propellente è formato da più segmenti: la superficie fra i segmenti deve essere bene incollata oppure inibita alla combustione per evitare il problema a cui abbiamo accennato

Ritardo all’ accensione Qualsiasi tipo di propellente, sia esso allo stato liquido o allo stato solido, deve essere portato allo stato gassoso e poi raggiungere delle condizioni di temperatura e di pressione tali che abbia luogo e si sostenga la combustione (reazione di ossido-riduzione) Tutto ciò avviene in un tempo i chiamato “ritardo all’accensione”. Un basso valore di i evita accumuli di gas nella camera prima della reazione e fa ottenere condizioni di equilibrio alla fine della camera di combustione con un volume contenuto di quest’ultima. Per questo motivo sono da preferire i propellenti con un ritardo all’accensione piccolo, ma ciò li rende poco maneggevoli e pericolosi. Un compromesso fra queste esigenze sarà la migliore scelta per un propellente solido nel quale le due componenti sono mescolate contrariamente a quello che accade nei propellenti liquidi e ibridi dove i propellenti si incontrano solo in camera di combustione e quindi si può optare per dei reagenti più instabili.

Sistema di accensione Il sistema di accensione che, se ben scelto e dimensionato, contribuisce a ridurre il tempo i. Il sistema di accensione deve generare un volume di gas ad una temperatura tale che la superficie del solido raggiunga la temperatura di autoaccensione e la pressione in camera sia sufficiente per la autosostentazione della reazione. Nei razzi a propellenti solidi, si adopera una carica pirotecnica o, nei razzi di grandi dimensioni, un piccolo razzo, con una resistenza elettrica che ne provoca la reazione. I prodotti di questa reazione sono proiettati sulla superficie del grano di propellente. La conducibilità del propellente è bassa per cui il calore generato resta sulla superficie innalzandone in breve tempo la temperatura fino al valore di autoaccensione.

Esempi di accensione Il caso A rappresenta una cattiva accensione dovuta al fatto che il calore sottratto per conduzione supera il calore fornito dalla combustione dell’accenditore. I casi D ed E rappresentano casi di sviluppo esiguo di gas combusti per cui si raggiunge una pressione troppo bassa per il mantenimento della combustione. Il caso C rappresenta il caso perfetto di salita della pressione fino alla pressione di regime. Il caso B è il più frequente: presenta un picco iniziale dovuto al ritardo all’accensione: si producono gas ma questi reagiscono con un certo ritardo per cui si ha un picco di pressione iniziale per tornare al valore di regime

Dimensionamento del grano di propellente Scelto il propellente e fissata la pressione p0 con il criterio di avere la massima Spinta senza appesantire eccessivamente le strutture, si ricava la superficie esposta alla combustione. La forma della superficie sarà scelta con il criterio prima detto, di avere un prefissato profilo di Spinta. Lo spessore del grano sarà determinato dalla velocità di regressione e dal tempo di funzionamento. Valgono quindi tutte le considerazione precedentemente fatte sul valore e l’andamento nel tempo e nello spazio della velocità di regressione

Razzo a propellenti liquidi Caratteristiche Tipi di Propellenti Sistemi di alimentazione Iniettori Camera di combustione Dimensionamento

Caratteristiche I propellenti allo stato liquido sono contenuti in serbatoi e, mediante un opportuno sistema di alimentazione, sono inviati nella camera di combustione nella quantità e nei modi richiesti. Tali endoreattori hanno una versatilità molto più elevata, sia in termini di prestazioni (regolazione della spinta, riaccendibilità) sia in termini di tipologia di missioni. Appartengono alla categoria dei liquidi i propellenti più energetici: l’idrogeno e l’ossigeno. Pertanto tali tipi di propulsori sono fra i razzi convenzionali quelli che offrono il più elevato Isp (fino a 420 s). Al contrario è difficile ottenere con tali propellenti una Spinta elevata in quanto le pressioni in camera di combustione non possono raggiungere i valori dei razzi a propellenti solidi. Altro svantaggio è che propellenti come l’idrogeno hanno una densità così bassa che non è possibile utilizzarlo in gran quantità: il volume dei serbatoi sarebbe troppo grande.

Tipi di propellenti Conservabili (Idrocarburi) o criogenici (LOX, LH2) Il calore di reazione per unità di massa più elevato, per combustione completa con l’Ossigeno, è fornito dall’Idrogeno mentre se prendiamo in considerazione il calore di reazione per unità di volume l’Idrogeno è superato dagli Idrocarburi Ricordiamo ancora che il parametro propulsivo da ottimizzare allo scopo di minimizzare la massa totale non è l’Isp ma il prodotto Se si decide di utilizzare propellenti liquidi, per un primo stadio si sceglierà una coppia Ossigeno-Idrocarburo (ad es. Soyuz) mentre per un secondo stadio si opterà per la coppia Ossigeno-Idrogeno

Tipi di propellenti (2) Un razzo per un terzo stadio, che normalmente serve per l’immissione in orbita o per il trasferimento orbitale, per il de-orbit o per il controllo d’assetto, dovrà avere due caratteristiche particolari: la conservabilità; la riaccendibilità Un esempio di tali propellenti è rappresentato dalla coppia monometilidrazina (CH3NNH3)/tetrossido d’azoto (N2O4) utilizzata sullo Shuttle e sull’Ariane V. Propellenti ipergolici sfruttano la caratteristica di decomporre esotermicamente con un catalizzatore opportuno, ad es. Perossido d’Idrogeno ad elevata concentrazione (ancora in via di sperimentazione) o Idrazina. Possono essere utilizzati come monopropellenti con il vantaggio di eliminare il sistema di accensione e richiedere una sola linea di alimentazione e un solo serbatoio. Ovviamente il Calore di reazione sviluppato in una reazione di dissociazione è molto più basso rispetto a quello sviluppato in una reazione di ossido-riduzione e di ciò bisogna tener conto.

Proprietà dei propellenti Range di temperatura in cui rimangono allo stato liquido pressione di vapore: bassa favorisce la conservazione, elevata favorisce l’evaporazione in camera e riduce il ritardo all’accensione calore di formazione: deve favorire un elevato calore di reazione viscosità: se elevata riduce il fenomeno dello sloshing nei serbatoi stabilità chimica: è necessaria per la conservazione ma una certa instabilità favorisce l’accensione tensione superficiale condiziona le dimensioni delle goccioline all’iniettore e di conseguenza la velocità di combustione calore specifico: se elevato è utile in un sistema di raffreddamento ma se è basso sono migliori le caratteristiche di evaporazione del propellente all’iniezione Il propellente non dovrebbe essere corrosivo, sensibile all’urto, tossico, irritante per la pelle, deve essere disponibile, poco costoso e poco inquinante per l’ambiente  

Proprietà dei propellenti

N2O4/UDMH N2O4/Aerozine

Sistemi di alimentazione Il sistema di alimentazione deve assicurare l’iniezione in camera di combustione di una portata di propellente uguale, nelle condizioni di regime, alla portata che fuoriesce dall’ugello pari a p0 è scelta dal progettista come compromesso fra il desiderio di avere una elevata Spinta e la necessità di non appesantire troppo le strutture T0 è la temperatura dei propellenti dopo la combustione alla pressione p0. Acr è dimensionata in modo da permettere, con tali condizioni a monte, l’efflusso dall’ugello di una portata di propellente tale da realizzare la Spinta richiesta

Sistemi di alimentazione (2) I propellenti debbono essere iniettati in camera di combustione con una certa velocità per favorire la loro evaporazione e il loro incontro. Pertanto il sistema di alimentazione dovrà provvedere a far giungere i propellenti all’iniettore con una pressione pari a: Lungo le linee di alimentazione ci sono delle perdite di carico (Δp)pc In definitiva il propellente deve essere pressurizzato, a monte della linea, ad una pressione, che chiamiamo pressione di serbatoio, pari a:

Sistemi di pressurizzazione Esistono diversi sistemi per la pressurizzazione dei propellenti ma due sono i principali e quelli capaci di assicurare una pressione costante per tutto il tempo di funzionamento Sistema a gas freddi pressurizzati Consiste nell’inviare in ciascun serbatoio di propellente, un gas contenuto in una bombola (inerte, ad es. Azoto) ad elevata pressione in modo da assicurare nel serbatoio la pressione ps Sistema a turbopompe Consiste in un sistema di pompe mosse da una turbina alimentata da un opportuno generatore di gas; i gas di scarico dalla turbina espandono in un ugello secondario. Il Generatore di gas è una piccola camera di combustione i cui reagenti possono essere i propellenti principali oppure reagenti diversi

Sistema a gas freddi pressurizzati

Sistema a turbopompe

Sistema a gas freddi pressurizzati Considerando il fenomeno adiabatico L’energia posseduta inizialmente dal gas è uguale, alla fine del tempo di funzionamento, all’energia interna del gas residuo nella bombola più quella del gas trasferito nei serbatoi dei propellenti, somma dell’energia interna e del lavoro compiuto dal gas per pressurizzare il propellente (pari al prodotto della pressione per la variazione di volume causata dall’espulsione del propellente. Dopo semplici passaggi si ricava:

Dimensionamento del sistema La massa di gas necessaria è tanto più piccola quanto più elevato è il valore della pressione pi. Ovviamente la scelta di una pressione elevata comporta una massa strutturale maggiore. Ipotizzando una tipica struttura cilindrica con fondi bombati e ritenendo valida la relazione

Dimensionamento del sistema (2) Pertanto la massa dell’intero sistema: gas + bombola, assume l’espressione seguente Dalla espressione del volume della bombola, introducendo l’equazione dei gas perfetti, possiamo scrivere Che sostituita nell’equazione sopra fornisce

Iniettori L’iniettore rappresenta una parte molto importante e molto delicata in un endoreattore. Scopo dell’iniettore è quello di inviare il propellente in camera di combustione nelle condizioni più idonee a farlo reagire con l’altro propellente. Esso deve polverizzare il liquido in minutissime particelle per favorire l’evaporazione ed il miscelamento. Un errato criterio di scelta o un errato dimensionamento possono pregiudicare il buon funzionamento del motore stesso mentre un giusto dimensionamento può influire positivamente sul ritardo all’accensione e sulle dimensioni della stessa camera di combustione nonché sul raggiungimento delle condizioni di equilibrio alla fine di quest’ultima.

Iniettori (2) Per funzionare in maniera opportuna esso deve essere dotato di una elevata velocità di efflusso Applicando l’equazione di Bernoulli, valida per moti unidimensionali, fra due sezioni a monte e a valle del foro di iniezione si ottiene: dove pi è la pressione a monte dell’iniettore e p0 la pressione a valle dell’iniettore coincidente con la pressione in camera di combustione. per avere una velocità elevata è necessario un più elevato valore del Δpi e quindi della ps di pressurizzazione nel serbatoio

Iniettori (3) A quanto detto dobbiamo aggiungere che l’equazione è valida per moti unidimensionali. Nella realtà il flusso che attraversa un foro non lo è quasi mai. Il getto può presentare una sezione ristretta dopo il foro dovuta alla esistenza di una componente normale all’asse del foro. Inoltre il fluido non è ideale e la presenza di viscosità comporta una certa dissipazione di energia per attrito. Comunque possiamo utilizzare la stessa equazione se la correggiamo con un coefficiente di efflusso empirico α = coefficiente di contrazione ξ = rapporto fra l’energia cinetica perduta e l’energia totale

Iniettori (4) Portata iniettata = Fissata la portata bisogna dimensionare l’area dei fori in modo da garantire una differenze di pressione sufficiente da impedire che disturbi di pressione risalgano a monte (instabilità). Al tempo stesso la differenza di pressione non deve diventare eccessiva

Coefficiente di efflusso All’aumentare di L/D aumenta α in quanto il moto del fluido si avvicina maggiormente ad un moto unidimensionale. Analogamente però aumenta anche l’energia persa per attrito. Pertanto per un foro di diametro D = 0.8mm e per un Δpi = 7 atm, si ha il seguente comportamento Un aumento del Δpi al di sopra di 3 atm comporta una diminuzione di α in quanto è favorita, per questi valori di Δpi, la separazione del getto dalle pareti. Disegnando un foro con un tratto conico come in Figura si può eliminare o ridurre l’effetto di separazione

Coefficiente di efflusso (2) Un aumento della pressione p0 riduce il pericolo della separazione del getto dalle pareti Fissati L/D = 0.5 D = 0.8 mm Δpi = 12 atm per p0 = 4 atm si ha CD = 0.61 per p0 = 24 atm si ha CD = 0.78 Un aumento della temperatura T0 influisce negativamente in quanto fa diminuire il valore del Δpi per cui si ha il distacco del getto dalle pareti.

Diametro dei fori e impinging Per facilitare la vaporizzazione e il miscelamento conviene che il diametro dei fori sia molto piccolo ma un foro molto piccolo oltre ad essere di difficile e costosa realizzazione, può essere facilmente ostruito e provocare variazioni di portata. Tenendo presente che la portata di ossidante è in genere maggiore di quella del riducente (OF>1) sarà opportuno scegliere un numero diverso di fori per i due propellenti. Per ridurre il ritardo all’accensione è possibile ricorrere ad un sistema di impinging: si costruiscono i fori inclinati in modo da far incontrare i getti e agevolare la rottura delle gocce e il loro miscelamento. Si parla di iniettore a doppietta se un getto di ossidante incontra un getto di combustibile, a tripletta se due getti di ossidante incontrano un getto di combustibile, self impinging se si incontrano fra loro due getti di ossidante o due getti di combustibile. Un iniettore si dirà a doccia se i fori sono dritti.

Regime del getto Il regime dipende dal numero di Weber critico Tipicamente una velocità dell’ordine di 100 m/s conduce ad un regime detto di atomizzazione mentre una velocità di 10 m/s porta ad un regime detto di oscillazione mentre una velocità dell’ordine di 1 m/s comporta un regime detto capillare.

Tipici parametri di un iniettore e dimensionamento Il regime di atomizzazione sarebbe da preferire ma richiede valori di Δpi troppo elevati il che significa elevata massa strutturale e CD troppo basso La soluzione che si adotterà sarà frutto di un compromesso. Tipici valori sono i seguenti Nota la portata totale di propellente necessaria per ottenere una determinata Spinta in base al rapporto di miscelamento scelto, si determinano le portate dei due propellenti. Scelta la velocità di efflusso si determinano le sezioni dei due iniettori dalla relazione

Dimensionamento Note le aree dei due iniettori si può scegliere il tipo di iniettore e di conseguenza si possono determinare il numero dei fori e il diametro di ogni singolo foro con i criteri prima enunciati. Nel caso in cui si scelga un iniettore a doppietta si devono anche dimensionare gli angoli di inclinazione dei fori. I getti si debbono incontrare e dopo l’impatto il getto risultante deve essere assiale

Sistema di accensione In un endoreattore riaccendibile non è possibile utilizzare un accenditore elettrico in quanto per le alte temperature esso andrebbe distrutto alla prima accensione. Inoltre con un propellente criogenico, utilizzando un tale sistema, sarebbe molto elevato il ritardo all’accensione o la potenza elettrica impegnata In quest’ultimo caso si può utilizzare una precamera dove si inietta lo stesso propellente in fase gassosa, in quantità giusta da sviluppare una massa di gas caldi che, iniettati nella camera principale, provocano l’innalzamento della temperatura e della pressione dei propellenti iniettati in fase liquida e la successiva combustione. L’accensione può essere provocata da una cartuccia di sostanza piroforica che espulsa, con una certa velocità, in ambiente ossidante si accende. Può essere in tal caso prevista anche una cartucciera per permettere ripetute accensioni

Sistema di accensione (2) Molti propellenti conservabili sono ipergolici che si accendono cioè al solo contatto. è necessario soltanto conoscere con precisione il ritardo all’accensione per ben dimensionare il volume della camera di combustione.

Camera di combustione Sappiamo che la combustione è un processo che avviene in un certo tempo e che, al fine di ottenere il massimo calore di reazione possibile, è necessario realizzare, alla fine della camera di combustione, la condizione di equilibrio chimico. Pertanto la prima condizione da realizzare nella camera di combustione di un endoreattore a propellenti liquidi è che il tempo di permanenza dei reagenti sia almeno uguale al tempo di raggiungimento della condizione di equilibrio Quest’ultimo è caratteristico della reazione ma è tipicamente compreso fra 2 e 7 millisecondi

Camera di combustione (2) Il tempo di permanenza dei reagenti in camera di combustione può essere espresso nel modo seguente: Ricordando che abbiamo definito una velocità caratteristica imponendo l’eguaglianza fra p e r possiamo ricavare il volume e dividendo per l’area critica la lunghezza caratteristica

Razzi a propellenti ibridi Fra i propulsori spaziali di tipo chimico il termine ibrido è riferito alla tipologia di propellente adoperata in tale sistema: tipicamente ossidanti allo stato liquido e combustibili allo stato solido. Diagram courtesy of Stanford University Il fatto di avere una sola linea di alimentazione comporta una notevole semplificazione del sistema rispetto ai razzi a propellenti liquidi e d’altra parte avere una linea di alimentazione permette di poter interrompere o regolare il flusso di liquido e quindi regolare la spinta come nei razzi a propellenti liquidi.

Caratteristiche principali Compromesso fra la semplicità dei razzi a propellenti solidi e le performances di quelli a propellenti liquidi; sicurezza, costo, disponibilità dei materiali e basso impatto ambientale Il motore è acceso, brucia e la spinta può essere modulata (throttling) come in un razzo a propellenti liquidi Competitivo per applicazioni con singola accensione o multiple accensioni e per performances intermedie fra solidi e liquidi (Isp più elevati rispetto ai solidi) Range di spinta: da pochi newtons (thruster) a mega-newtons (launch vehicle first-stage engine)

Schema

AMROC’s SET-1 launch vehicle on launch pad, 1989 *frozen LOX valve inhibited oxidizer delivery to engine, then subsequent hydrogen peroxide fire broke out AMROC’s SET-1 launch vehicle on launch pad, 1989 (*aborted launch; SET = Single Engine Test; LOX/HTPB) Spaceship 2 Engine N2O/HTPB)

Sicurezza Orbital Sciences Corp.’s Antares launch vehicle Space Shuttle Challenger Space Ship Two

HRE test firing (lots of aft flame in exhaust plume suggests significant afterburning in reacting with outside air)

HRE test firing, showing Mach diamonds (comprised of oblique shock and rarefaction waves) in exhaust plume

HRE test firing (NASA/Stanford University)

Laboratorio di Propulsione Aerospaziale, Università di Napoli Federico II)

Design La scelta dei combustibili solidi è legata a diversi fattori, come l’energia di combustione, la velocità di regressione, robustezza strutturale, disponibilità. Si va da combustibili con modesta energia, molto rubusti come Polietilene ad alta densità (HDPE), a gomme con energia media, leggermente soffici, come HTPB, a cere ad elevata energia e velocità di regressione (molto soffici) come le paraffine Basse velocità di regressione (ad esempio con HDPE) richiedono necessariamente geometrie più complesse, ad esempio porte multiple, allo scopo di aumentare la superficie dell’area di combustibile che brucia

Single (central) port and multiple port fuel grain designs, depending on required burning surface area needed

Pressurizzazione e alimentazione Tre categorie: 1) sistemi auto-pressurizzati; 2) gas ad alta pressione, 3) turbopompe Auto-pressurizzazione è possibile con alcuni ossidanti come protossido di Azoto N2O (controllando la temperatura di transizione da liquido a gas; ad es. La tensione di vapore a temperatura ambiente è dell’ordine di 50 bar); Nel caso del perossido di idrogeno si può pensare di utilizzare catalizzatori per controllare la decomposizione e quindi la transizione liquido-gas) L’approccio più utilizzato consiste nell’usare gas ad alta pressione come He or N2 per iniettare l’ossidante dal serbatoio alla piastra di iniezione ad una pressione più elevata di 20% rispetto alla pressione in camera di combustione pc

Use of paraffin as fuel Use of hydrogen peroxide as oxidizer

Iniezione ed accensione L’iniettore atomizza l’ossidante (se liquido) formando uno spray (piccole goccioline) e favorisce il contatto delle goccioline/vapore di ossidante sulla superficie del combustibile solido ovvero sull asuperficie interna della porta L’accensione del combustibile solido può essere effettuata in diversi modi (lana di vetro con bassa temperatuta di accensione, iniezione di un ossidante e/o un combusibile secondario, filo di nichrome riscaldato elettricamente, candela, cartuccia pirotecnica, etc.)

Camere di Pre- e Post-Combustione Solitamente si utilizza una camera di pre-combustione fra la piastra di iniezione ed il grano combustibile, allo scopo di evitare instabilità, favorire una migliore distribuzione dell’ossidante, ridurre la zona di ricircolo nella parte iniziale del grano e aumentare la velocità di regressione oltre a favorire un più uniforme consumo del grano (a tale scopo sono studiati anche diversi tipi di iniettori, radiale, assiale, swirl, assi-radiale, ecc.) La post-camera, a valle del grano di combustibile e prima dell’ingresso dell’ugello, consente di aumentare il tempo di permanenza rispetto al tempo di reazione, per evitare combustibile o ossidante in eccesso, o occasionalmente permette di aggiungere altro ossidante

Processo di combustione Reazioni chimiche fra protossido di azoto e paraffina: 85N2O(g) + C28H58(s)  85N2(g) + 29H2O(g) + 28CO2(g) + heat

Legge di regressione della superficie del fuel Modello standard empirico, basato sul flusso di massa assiale G : , 0.4 < n < 0.85 Tipicamente è più facile misurare in termini di flusso di ossidante: Go =

Theoretical and experimental data for burning rate as a function of mass flux, HTPB/GOX propellant A, and paraffin/ GOX propellants C & D

Per la spinta e l’impulso specifico: Analisi Stima della pressione in camera, usando la legge di regressione: Per la spinta e l’impulso specifico:

Lunghezza stechiometrica Rapporto stechiometrico: Lunghezza stechiometrica (grano cilindrico, portata di ossidante fissata):

LST < L , combustibile in fase vapore non reagente in eccesso, ablato dalla parte posteriore della superficie del grano; post-combustione con l’aria nella plume a valle dell’ugello LST > L , ossidante non reagente in eccesso, può danneggiare notevolmente la superficie dell’ugello a causa della notevole ossidazione