Appunti di Propulsione Aerospaziale

Propulsione

Introduzione:

Scienza applicata che studia i dispositivi (motori o propulsori) atti a cambiare lo stato di moto di un corpo.

Un corpo in moto grazie ad un propulsore può cambiare direzione:

• In atmosfera per cambiare direzione "basta" una sup. mobile
• Nello spazio necessita di avere un motore.

Processo di conversione Energetica

Le perdite di incremento dell’en. cinetica del getto propellente: variazione di q.d. moto del getto

Esoneratori

Utilizzano propellente dell’atmosfera

• Sistemi a reazione diretta
• Sistemi a reazione indiretta

L’aria atmosferica, oltre ad agire come propellente, costituisce il fluido di lavoro dell’imp. propulsivo

• Motori alternativi
• Turboelica (Turboprop)
• Turbo reattore a doppio flusso (Turbofan)
• Turboramjet (supersonic combustion ramjet)

Endoreattori

Immagazzinano a bordo l'energia necessaria per la propulsione.

Operativa anche in assenza di atmosfera.

Spinta = variaz. di q.d. di moto del prop. durante espuls. del motore.

• Fonte energetica: chimica, elettrica, nucleare o solare

Reagenti ipergolici:

I due reagenti sviluppano una reazione di combustione appena entrano in contatto.

• Termochimici:
• Propellente liquido
• Prop. solido
• Motori ibridi
• Elettrici:
• Elettromagnete
• Elettrostatico
• Elettroplasma

In un esoreattore:

• ossidante prelevato dall'atmosfera e debitamente compresso all'interno del motore. Tipicamente nei motori aeroturbogetti e simil i il flusso non è solamente scambiato all'interno del propulsore ma viene rallentato e compresso (operazione che può essere svolta in un nodo, ex con o senza punti mobili).
• Il flusso d'aria viene miscelato con il combustibile atomizzato e la miscela viene ignita tramite la ventola di combustione si aumenta l'entalpia del flusso.
• Il flusso espande, eventualmente interagendo con macchine che ne trasformano l'entalpia in en. meccanica (rot. di un albero) e/o fluendo attraverso un ugello per diminuire.

TURBOREATTTERM A DOPPIO FLUSSO (Turbofan)

• Flusso associati BPR_FA < BPR_FS
• Flusso separati

0-2') air inlet

recupero ρ_stH (rid. isentos.)

1-2') Fun o compressione, isentrofica

2-3') compressore

2'-2' condotto del fun

3-4') cam. di combustione

4-5') turbina di alta pressione (esp. idealem isoentrop.) si estrae il lavoro per la compressione 2-3.

5-6') turbina di bassa pressione si estrae il lavoro per il fun (1-2')

6-7') cam. di miscielamento

cassalamento del flusso audio mini attiare i rid. a w epe media major cold

7-8') espansone in ugello e sembr

8-') espansone in ugello e sembr, con ucc mcd.

Es. di Pressure-Fed (Fou in Princpio)

Motore Aestus

endo a prop. liquidi-storabili (N2O4/MMH)

• T=29.6 KN
• P_c=1.4 MPa
• I_{sp, vac}=326 s

testata di iniezione

Es. di turbopompe

Motore Vinci

Endo a prop. liquidi criogenici (LOX/LH2)

• T=180 KN
• P_c=6.1 MPa
• I_{sp, vac}=465 s

[Prop. criogenici: stato liquido se conservati a temperature molto basse]

Endoreattore a prop. solido

ossidante e combustibile extrambi in fase solida

• ossidante 65-70 wt.% (Perclorato d'ammonio NH4ClO4 AP in polvere conduttore nominale di circa 20 μm)
• combustibile (15-20 wt.%) (Polvere di alluminio micronizzato) Mal d=15-30μm
• Legante polimerico (HTPB poli butadiene c terminated idrossilato) 20-16%wt.

si privilegia il carico di alluminio per i benefici effetti sulle prestazioni

• reduzione semplicità impiantistica → scarsa flessibilità operativa serbatoio e C.C. concidono
• stoccaggio il propellente e la reazione di combustione avviene nel serbatoio

[Al: 2700 kg/m³ AP: 1950 kg/m³ HTPB: 920 kg/m³]

due dimensioni coniche ridotta resistenza aerodinamica

Problematiche:

• alluminio → facilmente visibile dai radar
• Perclorato: Si forma Acido Cloridrico → problematica importante allo studio

Identico Ammonio e Acido

La forma del profilo di propellente solido pre determina incremento il profilo di spinta e deve quindi essere

N.B.: si brucia dall'interno verso l'esterno

Propulsori Elettromagnetici

Il propellente ionizzato è accelerato attraverso l'interazione con un campo magnetico.

Prestazioni migliori nell'ambito dei sistemi propulsivi elettrici, sia a livello di spinta (da mN a kN) che di Isp (fino a 8000s), al costo di livelli di potenza richiesti molto elevati (fino ad MW).

MPD - Magneto Plasma Dynamic

La configurazione similare agli arcogetti ma il funzionamento (e prestazioni) molto diverso.

• I propellenti usati sono tipicamente: Ar, Kr, Xe, NH₃, N₂H₄, Metano e C₂H₄.
• Gli MPD possono funzionare in regime continuo o pulsato, e hanno un'efficienza del catodo il p.to per [Critico per] la loro vita operativa.

Propulsione Nucleare

La implementazione propulsiva che sfruttano, in modo diretto o indiretto, le reazioni di fissione nucleare o di decadimento isotopo.

Le reazioni di fissione avvengono in un elemento del reattore detto nocciolo. L'energia cinetica dei frammenti di fissione si trasferisce tramite urti ad altri nuclei cosicché la temperatura del materiale aumenta.

• Barre di controllo per evitare la fusione del nocciolo.

Nei sistemi NTP, il propellente (H₂, NH₃) lambisce le pareti del nocciolo del reattore, assorbendo calore dello stesso. (Alta entalpia del fluido)

Il propellente espande poi in ugello gas-dinamico.

• NERVA (Nuclear Rocket for Rocket Vehicle Applications): P=600kW, T=890kN, I_sp=833s

Limite principale del sistema NTP risiede nella temperatura del nocciolo.

NEP (Nuclear Electric Propulsion): il reattore nucleare è un sorgente di potenza che va ad alimentare dei propulsori elettrici.

Si sfrutta NEP di grande potenza potere portato ad esempio a diminuire un sistema di propulsione a ionici, o un MPD ad alta spinta.

Calore specifico

c = lim_ΔT→0 ΔQ/ΔT funzione sia della temperatura che del modo con cui il calore viene fornito al sistema.

c_v = lim_ΔT→0 ΔQ/ΔT |_V il calore specifico a volume specifico costante

c_p = lim_ΔT→0 ΔQ/ΔT |_p a pressione costante

dipende da T e P(V) della composizione chimica dello stato considerato

Per un gas la dipendenza da P(V) è generalmente piccola e può essere trascurata. Dipende comunque da nuovo: T e composizione chimica.

• a Nel uno composizione chimica costante il calore specifico è solo funzione della temperatura

Variabilità del calore specifico

c_v

Inclinazione

0° C, t.r.mon.ori.

Equazione di stato termica

Qualsiasi funzione che definisca implicitamente o esplicitamente in legame tra le variabili p, v, T.

Gas termicamente perfetto

PV = nRT

n: n° di moli

R: 3.314 J/(mol K) cost. universale del gas

PV = aRT M/M M P = R_s RT

Z = PV/RT = P

Fattore di comprimibilità

Per esprimere la deviazione del comportamento di un gas rispetto a quello di un gas perfetto.

Temperatura critica: T_cr temperatura al di sopra della quale un gas non può essere liquefatto

Pressione critica: P_cr: La pressione minima per la liquefazione alla temperatura critica

Si può assumere il comportamento di gas perfetto per pressioni basse rispetto a P_cr e temperature alte rispetto a T_cr.