Transcript PROPULSIONE AEROSPAZIALE Lez. 12

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:
c
V
2
Isp 
 u 
R0
g0 g0
 1
T0
m
 1
 
p
1   u 
 p0 

F  m p c  f  
p0 Acr
c
RT0
e dalla portata di propellente che fluisce dall’ugello, ovvero dalla
pressione raggiungibile in camera di combustione, come si deduce
dalla espressione della spinta
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
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.
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.
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)
Ossidanti
Perclorati
NaClO4 (52% di O2 in peso)
KClO4
(46% “
“ )
Mg(ClO4)2 (34% “
“ )
NH4ClO4 (25.2% “
“ )
Nitrati
NaNO3 (47% di O2 in peso)
KNO3 (40% “
“ )
NH4NO3 (20% “
“ )
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.
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
m p   r Ab
A regime tale portata deve eguagliare quella critica


m p   r Ab  f  
p 0 Acr
RT0
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

r  ap

n
0
m p   ap 0n Ab  f  
p 0 Acr
RT0
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


m p   r Ab  f  
p 0 Acr
La spinta varierà
seguendo, quindi,
l’andamento
dell’area esposta
alla combustione

F  c f p0 Acr  m p c
RT0


m p   r Ab
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.


S  m p c  c f p0 Acr  m p c f c *


m p   p r Ab  f  
p0 Acr
c* 
RT 0
f  
RT0
S
S
Ab 

c  p ap0n c f c *  p ap0n
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 Isp   n
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

m p  f  
p 0 Acr
RT 0
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:
pi  p0  pi
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:
p s  p 0  pi  p pc
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 M i cvTi  M f cvT f  M s cvTs  p sVs
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:
M f T f  M iTi ( Pf V / piV )
M s RTs  PsVs
p sV s
1
Mi  
RTi 1  p f pi
Dimensionamento del sistema
p sV s
1
Mi  
RTi 1  p f pi
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
pD

2s
3

D
pi  B
L


M B  DsL  B  D 2 s B  D 2 s B 1   
2 max
 D
VB 
D 3
6

D 2
4
L
D 3 
3 L
1 

6  2 D
L

1



 D
Dimensionamento del sistema (2)
Pertanto la massa dell’intero sistema: gas + bombola, assume
l’espressione seguente
D 3
L

Mt  MB  Mi 
 B pi 1    M i
2 max
 D
Dalla espressione del volume della bombola, introducendo
l’equazione dei gas perfetti, possiamo scrivere
D 3
3M i RTi
VB
3

3 L
2
 3 L
1
p i 1 

2D
 2 D
Che sostituita nell’equazione sopra fornisce

3M i RTi  B 
RTi
1 L D 
L


Mt 
B
1    M i  M i 1  3
3 L  max 
D
 max
1  1.5 L D 

1
2D
p sV s
1
Mi  
RTi 1  p f pi
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:
Vi 2
p0  
 pi
2
Vi  2
p i

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
CD 

1 
CD  CD L D, p, geometria, p0 ,T0 , Re
α = coefficiente di contrazione
ξ = rapporto fra l’energia cinetica perduta e l’energia totale
Iniettori (4)
Vi 2
p0  
 pi
2
Portata iniettata =
Vi  2
CD Ai Vi  CD Ai  2
p i
pi


 CD Ai 2 pi
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
0.5  L / D  1
0.60  CD  0.65
2  L/ D  3
0.75  CD  0.935
L / D  10
C D  0.885
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
2

V
D
Il regime dipende dal numero di Weber critico We 

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
2  L/D  4
4atm  pi  10atm
30m / s  Vi  45m / s
0.8mm  D  2.5mm
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
m  VA
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
sin  1 V f m f

sin  2 Vox m ox
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:
m 
mp
p 
p
 0Vcc
m
 0Vcc RT0

f   p0 Acr
Ricordando che abbiamo definito una velocità caratteristica
p0
0
 RT0
p 
Vcc
f   RT0 Acr
imponendo l’eguaglianza fra p e r possiamo ricavare il
volume e dividendo per l’area critica la lunghezza
caratteristica
Vcc  f   RT0 Acr r
L*  f   RT0 r  f  a0 r
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 meganewtons (launch vehicle first-stage engine)
Schema
*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 :
rb  aG
n
,
0.4 < n < 0.85
• Tipicamente è più facile misurare in termini di
flusso di ossidante:
rb  aG
n
O
Go = m O / A p
Burning Rate, mm/s
5
Theory (A)
Theory (C)
Theory (D)
Expt. (A)
Expt. (C)
Expt. (D)
4
3
2
1
0
0
100
200
300
Mass Flux, kg/m2-s
Theoretical and experimental data for burning rate as a
function of mass flux, HTPB/GOX propellant A, and paraffin/
GOX propellants C & D
400
Analisi
• Stima della pressione in camera, usando la legge di
regressione:
 1
m

2  1 1 / 2
pc  c *  
(
) ]

At RT f   1
m O n
 s Sa(
)  m O
Ap
At
• Per la spinta e l’impulso specifico:
pe
F  CF At pc  CF ,v [1  ( )
pc
I sp
F

m g o
 1
 1/ 2
]
At pc  ( pe  p ) Ae
Lunghezza stechiometrica
Rapporto stechiometrico:
.
rst 
mo
.
stoich
mf

GO A p
 s rb  dLst
Lunghezza stechiometrica (grano cilindrico, portata di ossidante fissata):
GO d
GO1 n d
Lst 

4  s rst rb 4a s rst
LST < L , combustibile in fase vapore non
reagente in eccesso, ablato dalla parte
posteriore della superficie del grano; postcombustione 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