Propulsori a Propellente solido

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Sara Bono
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1 Propulsori a Propellente solido

2 Sistema a propellente solido Semplice costruzione Semplice gestione Rapido utilizzo Economico e compatto Alta densità energetica Spinta non modulabile durante in funzionamento Accurato progetto della camera di combustione 2

3 Specifiche di sistema Utilizzo come sistema di propulsione primaria: N di spinta Utilizzo come upper stage : 105 N di spinta Utilizzo come motore di apogeo: 104 N di spinta 3

4 Componenti principali Propellente: temperatura combustione a circa C Pressione: deriva da accoppiamento tra massa prodotta e scaricata Spinta: espansione dei gas caldi in ugello Accenditore: inizia il processo di combustione Case e protezioni termiche: struttura e resistenza al calore 4

5 Propellente solido Sistema chimico e fisico che contiene sia il combustibile che l'ossidante in forma solida Il calore della fiamma decompone il materiale e libera i suoi componenti che alimentano la fiamma AUTOSOSTENUTA Propellente omogeneo Propellente eterogeneo Miscela Ox/Fu chimica Miscela Ox/Fu meccanica Fiamma premiscelata Fiamma diffusiva Velocità di reazione dominata dalla pressione Velocità di reazione dominata dalla miscelazione tra ingredienti 5

6 Propellente solido: esempio di fiamma Propellente omogeneo Propellente eterogeneo 6

Propellente solido Il propellente, bruciando, regredisce normalmente a sé stesso e cambia la superficie di combustione nel tempo In un campione da laboratorio Sequenza di

7 Propellente solido Il propellente, bruciando, regredisce normalmente a sé stesso e cambia la superficie di combustione nel tempo In un campione da laboratorio Sequenza di regressione in un motore x rb= t0 x t t 0 t La velocità di combustione dipende anche dalla temperatura iniziale del propellente (sensitività) T = ln r b 1 r = b T p r b T p 7

8 Legge di Vieille-Saint Robert La velocità di combustione segue la legge empirica di Vieille: n r b =a P c Parametri (a,n) definiti mediante interpolazione di dati sperimentali In un grafico bilogaritmico la curva interpolante è una retta 8

Pressione di combustione: esponente n La pressione in camera di combustione, in stato quasi-stazionario, è un bilancio tra massa prodotta dal propellente e massa scaricata dall'ugello m p=m u A b rb

9 Pressione di combustione: esponente n La pressione in camera di combustione, in stato quasi-stazionario, è un bilancio tra massa prodotta dal propellente e massa scaricata dall'ugello m p=m u A b rb A b a pn p At c* Ab: superficie di combustione ρ: densità del propellente Pc: pressione di combustione Esponente n > 1: motore instabile Esponente n < 1: motore stabile C*: velocità caratteristica 9

10 Pressione di combustione: Supericie di combustione La superficie di combustione determina la pressione a cui il sistema si stabilizza 1 m p=m u C * A b a 1 n P c = At Diverse forme iniziali del grano di propellente portano a diverse storie di pressione nel tempo perché cambia la superficie di combustione 10

11 Grani di propellente Regressione di un grano solido (sezione) Esempi di sezioni di motori Esempi di sezioni trasversali di grano solido 11

12 Grani di propellente: foto 12

13 Scelta della configurazione La scelta del tipo di grano influenza parametri di riempimento, Spostamento del centro di gravità, andamento pressione/tempo bf = 2b diameter Vf= Propellant volume C.C. Volume 13

14 Caratteristiche meccaniche Materiale viscoelastico non lineare con proprietà dipendenti dalla composizione 14

approssimazione per la massa dell'ignitore (metodo

15 Accenditori Zefiro 9 Igniter: pyrotechnic igniter (left) and main igniter (right) Pirotecnico Pirogeno Prima approssimazione per la massa dell'ignitore (metodo empirico) M ign =0.12V 0.7 free Massa in grammi Volume in pollici cubi 15

Case Il case è il contenitore esterno del propulsore e può essere fabbricato in acciaio o in materiale composito. Ripercussioni sulla massa a vuoto del motore e quindi sul carico pagante.

16 Case Il case è il contenitore esterno del propulsore e può essere fabbricato in acciaio o in materiale composito. Ripercussioni sulla massa a vuoto del motore e quindi sul carico pagante. Motore Caricato Vuoto Tipo ARI Acciaio ARI Acciaio Vega Z Carbon/epoxy Vega P Carbon/epoxy GEM Carbon/epoxy CASTOR Carbon/epoxy CASTOR Acciaio Tecnica di filament winding Dati in tonnellate 16

17 Altri componenti Liner: materiale gommoso che viene deposto in strato sottile tra il case di acciaio e il propellente o la protezione termica. Serve per avere una buona adesione del propellente e permettere lo scorrimento tra propellente e case vicino all'ugello Isolante: materiale gommoso il cui scopo primario è l'isolamento termico del case. Tipicamente si utilizza un polimero chiamato EPDM (densità 0,86). Lo spessore dipende dal tempo di esposizione alla fiamma. Inibitore: è un materiale simile all'isolante termico che viene applicato direttamente sul propellente in zone dove la fiamma non deve propagarsi e il propellente non deve bruciare. 17

18 Riduzione carico assiale sulla protezione La parte terminale della protezione termica è libera di muoversi, impedendo la concentrazione del carico in zona terminale 18

19 Ugello L'ugello provvede all'accelerazione del gas. Diverse configurazioni esistenti a seconda dell'applicazione Deve essere protetto dalle alte temperature dei gas con metodi passivi (protezioni termiche) 19

20 Ugello Protezione termica Ugelli per piccoli motori Ugelli con giunzione flessibile per TVC 20

21 Sistemi di attuzione dell'ugello Attuatori per il TVC dello Shuttle Volo STS

22 Esempi di SRM

23 Esempi di SRM

24 Esempi di SRM 3 24

25 Esempi di SRM - 4 Valori di massa in libbre 25

26 Esempi di SRM

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