Appunti di Propulsione Aerospaziale

Politecnico di Milano - Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale

Appunti di Propulsione

Francesco Floro

A.A. 2018-2019

Lezione 2

Vedi appunti per lezione 1 e prima parte lezione 2

Endoreattori chimici

Endoreattori a propellente liquido

Gli endoreattori (in linguaggio più tecnico e raffinato, giornalisticamente detto motore a razzo) sono reattori che imbarcano tanto l’ossidante quanto il combustibile. Una prima classe di endoreattori è quella degli endoreattori a propellente liquido: esistono due serbatoi, uno per l’ossidante e uno di combustibile, questi vengono introdotti in camera di combustione (secondo diverse modalità), quindi avviene la combustione con aumento dell’entalpia dei gas, che vengono successivamente fatti espandere in un ugello.

Gli endoreattori viaggiano in genere a velocità supersonica e per tale motivo l’ugello di un endoreattore è necessariamente convergente-divergente (di de Laval), mentre l’ugello di un velivolo civile è quasi sempre convergente.

L’alimentazione della camera di combustione avviene attraverso due soluzioni:

• Nei sistemi più piccoli si utilizza un altro serbatoio con gas in pressione che ha la funzione di pressurizzare di serbatoi di combustibile e ossidante: si tratta allora di dimensionare tale serbatoio per garantire l’espulsione di tutto l’ossidante e di tutto il combustibile fino al termine della missione.
• Nei sistemi di dimensioni più rilevanti tale serbatoio sarebbe abnorme e il sistema non riuscirebbe a decollare perché il peso sarebbe troppo elevato. Allora vengono utilizzate delle turbopompe che pompano il combustibile e l’ossidante in camere di combustione: l’energia necessaria al funzionamento della turbopompa proviene dallo stesso combustibile e dallo stesso ossidante.

Esistono diverse soluzioni che consentono di azionare le turbopompe; tale sistema è estremamente delicato e complicato per diverse ragioni: infatti esso prevede filtri, valvole, controlli di pressione; tuttavia questo sistema ha un vantaggio enorme, ossia la flessibilità: infatti regolando opportunamente la portata è possibile regolare la spinta.

Inoltre un sistema di questo genere si può anche spegnere e riaccendere e garantisce il massimo impulso, e pertanto si tratta di un sistema intrinsecamente più efficiente rispetto ai sistemi a solido, che hanno un impulso specifico più basso.

I motori sono spesso criogenici ed utilizzano spesso idrogeno e ossigeno liquidi: l’idrogeno è liquido alla temperatura di -250 gradi: utilizzando temperature così basse i materiali metallici infragiliscono e questo ha naturalmente delle conseguenze sull’enorme complessità del progetto della turbopompa che tratta liquidi criogenici, con conseguenti costi troppo elevati (il problema fondamentale dell’accesso allo spazio è di ridurre i costi).

La propulsione a liquido è seguita soprattutto dalla tecnologia russa: uno dei vettori più di successo è infatti la Soyuz che funziona a cherosene e ossigeno liquido. Loro sono prevalentemente orientati all’utilizzo di propellenti liquidi.

Endoreattori a propellente solido

Essi sono, almeno concettualmente semplici: sono costituiti da un condotto cilindrico in cui viene inserito il grano propellente, formato da un cilindro perforato che è appunto il propellente solido. La sua consistenza è simile a quella di una gomma di matita in cui sono presenti sia l’ossidante che il combustibile, oltre a molti altri additivi: ciò si classifica come esplosivo dal momento che quel materiale dal momento che le molecole di ossidante e combustibile sono a stretto contatto, diversamente dal sistema a liquido, in cui ossidante e combustibile sono separati e miscelati solo in camera di combustione.

La camera di combustione è data dalla perforazione interna, dove vengono prodotti gas caldi alla temperatura di circa 3500 K (estremamente più alte rispetto alla propulsione aeronautica): ciò è dovuto al fatto che nel propellente sono contenute delle polveri metalliche, che danno delle reazioni esotermiche e aumentano di molto la temperatura, e i gas vengono fatti espandere nell’ugello. Devono naturalmente essere prese delle precauzioni per la protezione termica dell’ugello.

Si ricorda che i motori a propellente solido sono svantaggiati rispetto ai motori a propellente liquido perché il liquido può essere utilizzato per raffreddare l’ugello facendo scorrere il propellente attraverso le pareti dell’ugello.

La complessità sono diverse:

• Devono essere maneggiate e trasportate tonnellate di esplosivo e per tale motivo nella maggior parte dei casi il propellente viene prodotto in impianti vicino alla rampa di lancio per minimizzare il costo di trasporto e il rischio.
• I lanciatori possono essere alti anche 40 metri e non è possibile realizzare un unico grano di tali dimensioni da inserire nell’involucro: allora bisogna segmentare il motore, ossia dividere il grano di propellente. Il collegamento tra i diversi segmenti è un problema molto grosso: si tratta infatti di un esplosivo e se la fiamma penetra nello spazio tra i due segmenti il motore esplode.

A tale riguardo si richiama al primo disastro dello Shuttle Challenger: si è verificata la rottura delle giunzioni: la giustificazione ufficiale è stata quella di un difetto nelle giunzioni, ma in realtà nella notte prima del lancio la temperatura era scesa a -25 gradi: il propellente è un materiale composito che a basse temperature infragilisce, non ha resistito alla pressione interna che si aggira intorno ai 60 bar e si è fessurato, la fiamma è penetrata in seguito alla frattura, ha incontrato l’alluminio che fonde a 933 K, che si è fuso ed è esploso il serbatoio.

Il principale svantaggio rispetto ai liquidi è che in questi ultimi regolando le portate è possibile regolare la spinta, qui non è possibile alcuna regolazione e una volta acceso esso non può essere spento, a meno che questo non venga fatto per motivi di sicurezza attraverso una depressurizzazione veloce.

L’unica regolazione possibile si può effettuare sulla geometria del grano, facendo in modo che cambi nel tempo la geometria del grano e quindi la portata massica di gas prodotti dalla combustione. I sistemi attuali di lanciatori utilizzano dei sistemi combinati a solido e a liquido perché i sistemi a solido possiedono una energia per unità di volume molto maggiore. Allora per questo motivo si utilizzano sistemi combinati solido-liquido.

Lezione 3

Endoreattori a propellente solido

Nelle applicazioni civili quasi tutti i propellenti (Ariane V, Ariane VI) solidi utilizzano HTPB (polibutadiene a terminazione idrossilica) che è una molecola molto lunga la cui terminazione è OH, che consentono legami con altri ingredienti. Tale sostanza ha il colore e la viscosità del miele: all’interno di tale liquido viene posto l’ossidante che è perclorato di ammonio (NH₄ClO₄); viene utilizzata tale molecola perché questa ha un alto contenuto di ossigeno necessario per ossidare il combustibile e poi è presente l’alluminio.

Tutti i propellenti solidi sono alluminizzati perché l’alluminio e le polveri metalliche in genere producono reazioni esotermiche aumentando la temperatura dei gas e quindi la loro entalpia. L’alluminio è posto in polvere nelle dimensioni di 30 micron: questa è la composizione base comune a tutti i propellenti: a questa si aggiungono additivi che hanno funzioni diverse, come quella di assicurare l’ancoraggio della parte solida al liquido, oppure ingredienti che prevengono l’ossidazione nel tempo, o ingredienti che incrementano la velocità di combustione.

Il propellente di realizza aggiungendo il perclorato di ammonio all’HTPB, si mescola la polvere di alluminio e si fa reticolare, ossia il passaggio dallo stato liquido molto viscoso al grano solido. Questa reticolazione avviene ad alta temperatura con l’immissione in un forno e alla fine si ottiene il propellente solido, che ha la consistenza di una gomma da matita.

Le proprietà che caratterizzano il combustibile sono:

• La velocità di combustione, ossia la velocità con cui regredisce il grano a seguito della combustione. A questa regressione è associato il passaggio dalla fase solida alla fase gassosa: è evidente che quanto maggiore è la velocità di combustione tanto maggiore è la portata di gas, e quindi la spinta. Allora in generale siamo interessati a velocità di combustione elevate.
• Proprietà meccaniche: in camera di combustione vi è una pressione di circa 60 bar: a tali pressioni il grano non deve rompersi e allora una volta progettato il propellente inizia una lunga fase di sperimentazione in cui si misura la velocità di combustione e le proprietà meccaniche. Innanzitutto è necessario trovare la corretta proporzione relativa tra questi ingredienti: in generale un propellente che ha una frazione massica più alta di HTPB è più elastico, mentre un propellente che ha una più elevata frazione di perclorato di ammonio è più rigido e quindi dal punto di vista delle proprietà meccaniche è più critico, anche se garantisce velocità più elevate: allora per garantire buone proprietà meccaniche tutti hanno una elevata frazione di combustibile.

Infatti la temperatura più alta in una reazione redox si ha in condizioni stechiometriche, ossia quando la proporzione di ossidante è tale da ossidare tutto il combustibile: i propellenti solidi dovendo soddisfare importanti requisiti di proprietà meccaniche non possono mai reagire in condizioni stechiometriche, ma sono ricche di combustibile. Allora aumentare la proporzione di ossidante aumenta le prestazioni perché ci si avvicina sempre più alle condizioni stechiometriche, ma non si può eccedere un certo limite poiché essendo un materiale composito si deteriorano le proprietà meccaniche e avendo l’assoluta esigenza che il grano non si rompa.

Abbiamo poi l’alluminio, che nelle applicazioni civili è presente nella misura del 16-20 percento: l’effetto è che la reazione di ossidazione dell’alluminio è l’aumento della temperatura per effetto di reazioni esotermiche (in sua assenza la combustione sarebbe quasi di mille gradi più bassa). Esistono diversi problemi legati alla combustione dell’alluminio:

• Il primo problema è che l’alluminio agglomera: non si ha la singola particella da 30 micron che brucia, ma si hanno degli agglomerati che causano una reazione più lenta. Allora la singola particella di alluminio si ossida vicino la superficie e allora rilascia calore alla superficie facendo degradare la fase condensata, con immissione di prodotti gassosi combustibili e ossidanti, avendo in questo modo un aumento della velocità di combustione per un aumento del flusso di calore; al contrario se si formano aggregati la reazione avviene più lontano dalla superficie e allora il flusso di calore verso la superficie diminuisce. Le nanotecnologie hanno portato alle nanopolveri che hanno l’effetto di reagire molto vicino alla superficie del grano e quindi di aumentare la velocità di combustione: tuttavia non esistono lanciatori che utilizzino nanopolveri dal momento che il loro costo è molto elevato.
• L’alluminio metallico non esiste in natura, dal momento che esso ha una elevata affinità con l’ossigeno. La particella allora non è alluminio puro (la molecola che ossidandosi sviluppa calore), ma è alluminio che è contornato di ossido di alluminio (allumina, Al₂O₃); in tale caso l’inconveniente è che l’alluminio metallico fonde a 933 K, mentre l’allumina fonde a 2500 K: questo allora significa che c’è un ritardo nel rilascio di calore dovuto all’ossidazione dell’alluminio; siamo però fortunati perché il coefficiente di dilatazione termica dell’alluminio metallico è molto più alto del coefficiente di dilatazione termica dell’allumina: allora succede che dilatandosi di più l’alluminio metallico rompe lo strato di ossido che è molto sottile e come l’alluminio esce dalla fessura in un ambiente in cui è presente ossigeno si ossida. La tecnologia russa che ha sviluppato le polveri metalliche ha sviluppato polveri in cui le singole particelle siano rivestite di materiale energetico, o comunque di polimero che proteggono dall’ossidazione e quindi favoriscono la combustione dell’alluminio.

Oggigiorno il problema più importante è che tra il propellente e l’involucro è presente una protezione termica: l’involucro è costituito da alluminio che fonde alla temperatura di 933 K che allora deve essere protetto termicamente. Esistono poi problemi seri tra l’adesione del propellente all’adesione termica.

La protezione termica si trova nello strato più esterno rispetto al liner: il liner è di solito fatto di HTPB, che non entra in combustione data l’assenza di ossidante, ma che ha proprietà elastiche favorevoli. Dopo abbiamo la protezione termica che viene costruita con materiali particolari dotati di conducibilità termica molto bassa (fibre di carbonio, fibre di vetro). L’involucro è costruito per essere riutilizzato, essendo il riutilizzo uno dei principi cardine del progetto del nuovo lanciatore.

Dopo di che i booster vengono recuperati nell’oceano, ma il problema è che il costo di verifica, di rimozione della protezione è tale da rendere più conveniente costruirne uno nuovo.

La legge che regola la combustione è la legge di Vieille che afferma che la velocità di combustione (burning-rate) è data dalla formula:

nr = ap^b

Si tratta di una legge puramente empirica che si determina con uno studio sperimentale: si prende il propellente, si fa variare la pressione in una camera di combustione, si misura la velocità di combustione e si interpolano i dati sperimentali. Fondamentale nella legge è il parametro n, noto come esponente balistico, che deve essere inferiore a 1 per questioni di stabilità (tipicamente per i propellenti compositi è di 0.4): se dovesse essere maggiore di 1 il motore esplode dal momento che la massa prodotta risulta essere maggiore della massa scaricata.

Poiché quando viene effettuata una combustione in geometria confinata bisogna sempre affrontare il problema delle instabilità di combustione (ossia oscillazioni di pressione): attraverso gli studi sperimentali si deve fare in modo che l’esponente sia dell’ordine di 0.4. Fondamentale nell’equazione è la pressione: se si ha il grano di propellente il profilo di temperatura (vedi quaderno) a una certa pressione; se la pressione viene aumentata la temperatura si modo in questo modo (vedi quaderno); la legge fisica che governa la velocità di combustione è il ritorno di calore per conduzione: alla superficie in caso di pressione più alta si ha un gradiente maggiore di temperatura e quindi per la legge di Fourier un maggiore flusso di calore per conduzione alla fase solida.

Poiché il flusso di calore aumenta aumenta anche la velocità di combustione, perché aumenta la velocità con cui il solido degrada chimicamente per immettere in fase gassosa le sostanze che reagiranno per dare la reazione. Da questo risulta che la velocità di combustione è dominata da un effetto conduttivo: dopodiché è anche importante l’effetto convettivo: l’accensione avviene attraverso un ignitore (carica esplosiva) posto in testa che viene acceso elettricamente che produce gas caldi che lambiscono la superficie interna della perforazione e accendono il propellente: questo mette in gioco effetti convettivi importanti perché nel materiale dell’accenditore sono presenti delle polveri metalliche che emettono calore per effetto radiativo, ma una volta passato il transitorio di accensione il problema è dominato dalla conduzione di calore dal gas al solido.

Ci sono altri effetti importanti legati alla non flessibilità dell’utilizzo di propellenti solidi:

• All’aumentare della temperatura del propellente aumenta la velocità di combustione e all’aumentare della velocità di combustione diminuisce il tempo di combustione, e quindi al tempo finale la spinta si esaurisce (vedi grafico a pag. 9); nello stesso tempo però le più alte temperature e la maggiore velocità di combustione comportano una spinta maggiore. Si può intuire come allora la temperatura possa influenzare il profilo di missione e questa è un altro esempio di rigidità del comportamento del sistema.
• All’interno del propellente, che è un sale (ci si riferisce a NH₄ClO₄), le proporzioni possono variare: si dice che la composizione di un propellente è multimodale, ossia si utilizzano molte dimensioni, dal momento che l’interesse è quello di mettere la maggior quantità di ossidante possibile (compatibilmente con le proprietà meccaniche): se si ha una polvere mista dal punto di vista delle dimensioni si può inserire molto più ossidante, ed è quello che si desidera. Tuttavia le dimensioni dell’ossidante, in quanto impiegano tempi diversi a degradare chimicamente e quindi a immettere ossidante in fase gassosa per lo sviluppo delle reazioni chimiche, se sono troppo piccole il propellente cambia classe di esplosività (si passa dalla classe 1-3 alla classe 1-1, che è la classe di esplosivi più pericolosi, con caratteristiche di esplosività maggiori). Le dimensioni dell’ossidante sono allora importanti ed entrano nella caratterizzazione del propellente.

L’utilizzo dei propellenti solidi è rapido.