Propulsione aerospaziale

(J KLM

2

Pertanto, aumentando il diametro cresce lo stress sulle pareti e bisogna aumentare di

conseguenza anche lo spessore delle pareti. Questo, però, rende il razzo pesante.

Si affronterà più avanti il problema del raffreddamento dell’ugello.

Si vedono ora dei layout possibili per motori a propellente liquido.

Gas Pressure Feed

Sono presenti i due serbatoi, uno per il fuel, l’altro per l’oxidizer. Al loro interno viene

mantenuta una pressione costante grazie a un serbatoio pieno di elio a pressione molto più

elevata (regolatore di pressione). All’uscita dei serbatoi sono presenti due valvole che

regolano l’apporto di fluido in camera di combustione. Chiaramente la pressione della camera

di combustione è più bassa di quella dei serbatoi di combustibile e comburente, altrimenti

non ci sarebbe passaggio di fuel ed oxidizer verso la camera di combustione. Questo schema

prende il nome di poiché l’alimentazione della camera di combustione

gas pressure feed

avviene attraverso un fluido in pressione (He, elio). La pressione dell’elio (circa 1500 bar) è

molto più elevata di quella di fuel ed oxidizer (circa 50-60 bar) poiché deve mantenere in

pressione entrambi i serbatoi per tutta la durata della spinta. Si usa l’elio poiché è un gas

leggero e non è aggressivo.

Si ricava il valore della pressione dell’elio.

Il volume iniziale di elio è quello del serbatoio, quindi è pari a , mentre nella condizione

N;

finale il volume dell’elio, poiché è fluito nei due serbatoi, è pari alla somma dei volumi dei

serbatoi: .

+ +

N; D (J

Se si immagina il processo di occupazione da parte dell’elio isotermo, deve essere:

= = ( + + )

N; N; N; (J (J D N;

Da questa si ricava che: + +

N; D (J

= ⋅

u

N; (J

JKKKLKKKM

N;

O.÷

Q.?<R ≈T. (!;R ;$;F!C()

In assenza di gravità, il liquido potrebbe formare bolle, le quali compromettono il normale

funzionamento del motore; pertanto, si usano sistemi per forzare fuel ed oxidizer verso la

camera di combustione lasciando l’elio nella parte più alta del serbatoio. Si riportano qui i

sistemi principalmente usati: un sistema prevede un supporto scorrevole per forzare il liquido

verso il basso (come una siringa) e un altro sistema sfrutta l’azione di una membrana.

Il regolatore di pressione permette di mantenere la pressione a valle costante. Si tratta di

una valvola regolabile che controlla il passaggio del flusso, modificandone la sezione di

passaggio.

Si parla ora del raffreddamento del sistema. Poiché in camera di combustione si raggiungono

temperature molto elevate, è possibile raffreddare l’ugello (ma non è obbligatorio, date le

dimensioni contenute di questo tipo di motori; per esempio, può non essere impiegato nei

sistemi di controllo di assetto che utilizzano uno schema di tipo gas pressure feed, i quali

oltretutto funzionano ad intermittenza). Nel caso in cui sia presente, il fluido che funziona da

refrigerante è sempre il combustibile e mai l’ossidante: questo è dovuto al fatto che, se lungo

il condotto l’ossidante trova delle impurità, le brucia. Si forma così uno spot caldo che riduce

le caratteristiche di resistenza del condotto, provocandone una possibile rottura. Per

raffreddare l’ugello quindi si fa passare il combustibile lungo una serpentina (soluzione 1)

oppure all’interno di alcune canalizzazioni costruite direttamente all’interno di una parete,

realizzata inizialmente piena e poi lavorata per ottenere delle scanalature per ospitare il

propellente (soluzione 2).

Il refrigerante/combustibile passa lungo un circuito che costituisce la parete stessa

dell’ugello, e non lungo un circuito posto sopra la parete dell’ugello. Attorno a tale condotto

viene posta una banda di rinforzo per aumentare la resistenza della parete dell’ugello alle

elevate pressioni.

Il combustibile entra nella sezione 1, percorre il condotto ed esce dalla sezione 3. Gli elementi

rotondeggianti sono collettori, realizzati per uniformare la pressione e quindi distribuire

equamente il flusso. I collettori sono evidenziati nello schema con i numeri 1, 2, 3. Il flusso

entra in un collettore e viene distribuito nei vari condotti, i quali presentano una pressione

uniforme (tutti i condotti infatti sono collegati a due collettori, i quali hanno la stessa

pressione). Il motivo per cui sono rappresentati 3 collettori è quello di avere un maggior

numero di condotti nella sezione terminale dell’ugello, poiché la sezione è maggiore e

pertanto necessita di un maggior numero di condotti. Se ci fosse lo stesso numero di condotti

in gola e nella sezione terminale, infatti, questi tenderebbero ad allargarsi e ad avere una

sezione più ovale, non funzionando più correttamente. Per questo motivo nella parte

terminale dell’ugello è presente un numero doppio di condotti, in cui il flusso scorre in una

metà da un verso e in un’altra metà dal verso opposto. Si noti come, nell’immagine

sottostante, nella parte verso la gola il flusso presenta ovunque lo stesso verso, mentre nella

parte terminale scorre in due versi differenti. Il flusso entra nel collettore 1, passa per metà

dei condotti, per poi giungere al collettore 2 dove cambia direzione e torna verso l’alto,

entrando nel collettore della camera di combustione (collettore 3).

Se la pressione generata dall’elio non è sufficiente per le performance richieste, si utilizza un

sistema di tipo gas expander.

Gas Expander

In un gas expander, non è più presente il serbatoio di elio.

Il combustibile, in uscita dal serbatoio, viene mandato attraverso una o più pompe; passa in

seguito attraverso la MFV (Main per poi continuare verso il circuito di

Fuel Valve)

raffreddamento o direttamente in camera di combustione (attraverso la o

By-Pass Valve,

BPV). Nel passaggio per il circuito di raffreddamento, il combustibile si è scaldato e quindi

ha elevato il suo contributo entalpico. La maggiore energia contenuta ora nel fluido può

alimentare una turbina la quale, collegata ad un albero, produce la potenza necessaria a

mantenere in funzionamento le pompe. Il combustibile procede poi in camera di combustione.

L’ossidante, analogamente, passa attraverso una pompa per aumentarne la pressione, poi una

valvola (la o MOV) e infine dentro la camera di combustione. La

Main Oxidizer Valve,

pompa è trascinata dalla turbina messa in rotazione dal combustibile (questo avviene nei

motori più semplici, ma esistono casi in cui si usano due turbopompe, una per il fuel, l’altra

per l’ossidante).

Il motivo per cui il combustibile passa attraverso due pompe (invece di una come il

comburente) è dovuto al fatto che questo deve percorrere un circuito più lungo (deve infatti

anche raffreddare l’ugello), vincendone le cadute di pressione per perdite di carico, e deve

anche alimentare la turbina.

I livelli di pressione raggiungibili in camera di combustione sono dell’ordine di 60-80 bar.

Nel raffreddamento dell’ugello, il carburante passa di stato istantaneamente; questo è dovuto

alla pressione molto elevata alla quale si trova (pressione supercritica), la quale non

comporta la formazione di bolle. Questo è un grosso vantaggio, poiché se nel condotto si

formassero delle bolle, si formerebbero di conseguenza dei punti caldi che possono portare a

rottura.

Gas Producer

Nel gas producer, oltre alla camera di combustione principale, ne è presente anche una

ausiliaria, la quale permette di ottenere un gas potenziale che alimenta poi le turbine. La

turbina riesce pertanto a raccogliere un lavoro decisamente più elevato del gas expander,

raggiungendo grazie alle pompe dei livelli di pressione più elevati, aumentando così le

prestazioni del motore. Questa camera di combustione ausiliaria è alimentata da

combustibile e ossidante in pressione.

Il flusso in uscita dalla camera di combustione ausiliaria ha tre possibilità:

wasted: quando la pressione di scarico è bassa, il flusso viene buttato

• mandato ad un ugello ausiliario: in uscita dalle turbine, se il flusso ha ancora

• potenzialità, viene mandato in un ugello per espandere il flusso

torna in circolo nell’ugello principale, in uno stadio successivo (a causa della sua

• pressione bassa).

Le due turbopompe, le quali vengono movimentate dal gas potenziale in uscita dalla camera

di combustione ausiliaria, vengono messe in rotazione durante l’avviamento attraverso l’uso

di cariche pirotecniche finché i gas in uscita della camera di combustione ausiliaria non

riescono a mantenere in rotazione le turbine.

Sono anche presenti delle le quali servono a ripulire i condotti dall’inerte

valvole di spurgo,

usato per riempire i condotti durante il trasporto.

Staged Combustion

Questo sistema è simile al gas producer. Per aumentare la pressione in camera di

combustione principale portandola a circa 250 bar, si aumenta anche quella nella camera di

combustione ausiliaria (circa 400 bar) aggiungendo un’ulteriore pompa per l’oxidizer. Il gas

che esce dalla C.C.A. ha pertanto una pressione molto elevata e per questo, a differenza del

gas producer, può essere mandato direttamente in camera di combustione principale. Si noti

che anche la C.C.A. e le turbine necessitano, in questo caso, di raffreddamento attraverso le

modalità già viste.

Propellenti liquidi

Combustibili:

RP1-RP4 idrocarburi da derivazione avio (kerosene)

• LH (H liquido) temperature molto basse, può essere stoccato per poco tempo

• à

2

N H (idrazina) buona stabilità, può essere usato per lunghe missioni

• à

2 4

LNG (metano liquido CH )

• 4

Ossidanti:

LO (O liquido)

• 2

N O (tetrossido di azoto) può essere stoccato a lungo (buona combo con idrazina)

• à

2 4

La coppia di propellenti in assoluto più performante è LH-LO; un lato negativo è la necessità

di serbatoi molto grandi e pesanti.

La coppia di propellenti più performanti in termini di impulso specifico è LH-LF (idrogeno

liquido – fluorina liquida); la loro reazione viene schematizzata così: + → 2.

/ /

HF, e cioè acido fluoridrico, ha il vantaggio di essere molto leggero, ma essendo acido crea

problemi a infrastrutture circostanti, pertanto questa coppia di propellenti non viene usata.

Motori a solido

Nei motori a solido, la camera