DOCUMENT NUMBER: CIRA-CF RISTRETTO IMP-LP 15-COM Descrizione sommaria dell'impianto Integrato di Propulsione Spaziale I2PS

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1 DOCUMENT NUMBER: CIRA-CF REV.: DISTRIBUTION STATEMENT PROJECT JOB NATURA DOCUMENTO PROGETTO COMMESSA RISTRETTO IMP-LP 15-COM TASK ARCHIVIO PROGRESSIVO DI ARCHIVIO NO. OF PAGES /CIRA/HPRB DELIVERABLE TITLE Descrizione sommaria dell'impianto Integrato di Propulsione Spaziale I2PS PREPARED REVISED APPROVED AUTHORIZED PREPARATO VERIFICATO APPROVATO AUTORIZZATO Elia Gianpaolo (HPRB) Favaloro Nunzia (HPRB) Favaloro Nunzia (HPRB) Salvatore Vito (IMPR) DATE/DATA DATE/DATA DATE/DATA DATE/DATA 24/02/ /02/ /02/ /02/2016 BY THE TERMS OF THE LAW IN FORCE ON COPYRIGHT, THE REPRODUCTION, DISTRIBUTION OR USE OF THIS DOCUMENT WITHOUT SPECIFIC WRITTEN AUTHORIZATION IS STRICTLY FORBIDDEN A NORMA DELLE VIGENTI LEGGI SUI DIRITTI DI AUTORE QUESTO DOCUMENTO E' DI PROPRIETA' CIRA E NON POTRA' ESSERE UTILIZZATO, RIPRODOTTO O COMUNICATO A TERZI SENZA AUTORIZZAZIONE I

2 DOCUMENT NUMBER: CIRA-CF REV.: TITLE: Descrizione sommaria dell'impianto Integrato di Propulsione Spaziale I2PS ABSTRACT: Il presente documento riporta iuna descrizione sommaria dell'impianto Integrato I2PS da realizzare presso il CIRA, nell'area 19. AUTHORS: Elia Gianpaolo;Favaloro Nunzia;Smoraldi Antonio APPROVAL REVIEWERS: Favaloro Nunzia;Battista Francesco;Baldascino Francesco APPROVER Favaloro Nunzia AUTHORIZATION REVIEWERS: Salvatore Vito AUTHORIZER Salvatore Vito II

3 DOCUMENT NUMBER: CIRA-CF REV.: DISTRIBUTION RECORD: DEPT NAME * DEPT NAME * GRIM Cangiano Pasquale * PT = PARTIAL A = ALL III

4 Impianto Integrato per la Propulsione Spaziale I 2 PS Descrizione sommaria dell Impianto Integrato di Propulsione Spaziale I 2 PS

5 REVISION HISTORY N. DATE EDITOR CHANGES CIRA-CF Rev. 0 P. 2/13

6 Sommario 1.1 Applicabilità Documenti applicabili Documenti di riferimento Terminologia ed Acronimi 4 2. Premessa 5 3. Descrizione sommaria dell impianto I 2 PS 6 Indice delle Figure Figura 1 - Ipotesi di posizionamento delle aree di intervento in Area Figura 2 - Dettaglio delle zone di intervento in Area 19 Posizionamento cabina elettrica e pipe rack CIRA-CF Rev. 0 P. 3/13

7 1. Introduzione 1.1 Applicabilità Il presente documento, redatto nell ambito del Progetto IMP-LP (Impianti Propulsione Liquida), costituisce parte integrante della documentazione inclusa nella Progettazione Preliminare dell Impianto Integrato per la Propulsione Spaziale a Liquido, denominato I 2 PS. DA [1] DA [2] DA [3] 1.2 Documenti applicabili 1.3 Documenti di riferimento I documenti di riferimento di seguito elencati possono essere utilizzati al fine di trarre: linee guida, dati di confronto ed informazioni suppletive per la migliore comprensione dell opera. DR [1] DR [2] DR [3] 1.4 Terminologia ed Acronimi ATEX ATmosphères EXplosibles CIRA Centro Italiano Ricerche Aerospaziali DAS Data Acquisition System DCS Distributed Control System GOx/LOx Ossigeno Gassoso/Liquido GCH4/LCH4 Metano Gassoso/Liquido HC Idrocarburo I 2 PS Impianto Integrato di Propulsione Spaziale MIUR Ministero dell Istruzione dell Università e della Ricerca MTP Methane Thermal Properties N2 N2O PLC TVCC Azoto Ossido di diazoto Programmable Logic Controller Sistema di videosorveglianza a circuito chiuso CIRA-CF Rev. 0 P. 4/13

8 2. Premessa Il CIRA, come da sua missione, è deputato alla creazione di know-how per supportare l industria nazionale e per cooperare con i partner europei su progetti di rilevanza internazionale. Il Centro punta, quindi, ad accreditarsi come centro di eccellenza per lo sviluppo della propulsione spaziale in generale, e liquida, in particolare. Per poter assolvere a tale missione il CIRA ha deciso di dotarsi di un Impianto Integrato di Propulsione Spaziale abbreviato in I 2 PS in grado di consentire test su camere di spinta di motori spaziali di diversa classe di spinta. In particolare, in accordo al programma per la realizzazione di Nuovi Impianti ed Infrastrutture di Ricerca per la Propulsione Spaziali, il CIRA ha avviato il progetto IMP-LP che ha come obiettivo principale la progettazione e realizzazione dell impianto di prova denominato HYPROB-PLUS. Tale impianto ha come fine quello di permettere al Centro di sviluppare e consolidare le proprie capacità sistemistiche e tecnologiche nell ambito della propulsione a razzo, con specifico riferimento alla tecnologia a ossigeno e metano liquidi (LOx/LCH4) e ossigeno e metano gassosi (GOx/GCH4). La spinta massima dei dimostratori testati in tale impianto sarà di 100 kn. Tale struttura sarà anche in grado di permettere il test di motori ibridi alimentati con O2 o, alternativamente, con N2O. Al tempo stesso, per rispondere agli obiettivi del programma HYPROB, avviato nel 2010 sulla base di un finanziamento del MIUR, è prevista la realizzazione presso il CIRA di un impianto chiamato HYPROB-IMP costituito da un laboratorio dedicato alle attività di ricerca sperimentale sulle camere di combustione dei propulsori Ox/HC, la cui area di test sarà dotata di una sala per la diagnostica ottica avanzata. Nello specifico, il test bench dovrà essere idoneo all esecuzione di prove su test articles rappresentativi di piccole camere di combustione, alimentate con Ox/CH4, sia in fase liquida che gassosa, dotate di un numero limitato di iniettori e capaci di sostenere pressioni in camera sino a 7 MPa. Le spinte massime prodotte dai dimostratori di questo impianto saranno di 6 kn. L impianto, così come per HYRPOB-PLUS, sarà capace di alimentare dimostratori ibridi alimentati ad O2 ed N2O. L area individuata per la realizzazione dell impianto integrato è la n. 19 all interno del comprensorio CIRA. Nel seguito del documento con I 2 PS si intenderà l insieme di due impianti di prova, chiamati rispettivamente HYROPB-PLUS ed HYPROB-IMP e di tutte le opere civili e tecnologiche a servizio delle attività che in quell area andranno a svolgersi. L impianto integrato, I 2 PS, si avvarrà di tutte le infrastrutture civili e tecnologiche necessarie al corretto svolgimento delle proprie funzioni, tra le quali un area di assemblaggio, CIRA-CF Rev. 0 P. 5/13

9 integrazione ed analisi dati comune alle due facility, ed una sala controllo per la gestione complessiva dell impianto. 3. Descrizione sommaria dell impianto I 2 PS Il progetto, in sintesi, prevede la realizzazione di diverse aree di cui, nel seguito, si fornisce una breve descrizione (Figura 1, Figura 2): Fabbricato principale: si prevede la realizzazione di un fabbricato ad un piano posto a distanza di sicurezza dalla zona di sparo. Tale fabbricato ospiterà i servizi a supporto dei test e potrà essere abitato durante la loro esecuzione. Tale struttura sarà composta da uffici, sala di assemblaggio ed integrazione, control room e idonei servizi per gli addetti, quali servizi sanitari e spogliatoio. Queste aree sono intese a servizio di entrambi gli impianti che costituiscono I 2 PS. In particolare, gli uffici dovranno prevedere la presenza di almeno sette postazioni di lavoro ed una sala riunioni adeguata. Gli allestimenti delle aree ospitate da tale fabbricato saranno funzionali alle attività da svolgersi. Di seguito una breve descrizione delle aree da prevedere nel fabbricato principale: La sala di assemblaggio ed integrazione, dove avverrà l integrazione meccanica dei motori ed i leak proof test dei loro sotto-assiemi, consisterà in una sala di almeno 80 m 2 e sarà quindi servita da una linea di N2 ad alta pressione per lo svolgimento di tali test e di tutta la strumentazione necessaria per l assemblaggio e l integrazione di motori. Vi saranno altresì punti di lavoro con aria strumenti, aria servizi, prese di energia elettrica e disponibilità di acqua demineralizzata. Dato il tipo di operazioni da eseguire in tale ambiente, la pavimentazione sarà di tipo industriale con opportuno trattamento protettivo superficiale e rivestimento in linoleum. Le bombole di azoto necessarie per i test di tenuta in pressione saranno allocate in un area adiacente la sala, posta in ambiente aperto. L accesso alla sala di assemblaggio ed integrazione, dall esterno, sarà garantito da una rampa e da un portellone di dimensioni adeguate, tale da consentire il passaggio di un carrello per la movimentazione del motore. Le pareti di tale stanza saranno attrezzate con armadi utensili per la strumentazione, con un banco di lavoro principale, con una vasca lava minuteria ed una vasca per il lavaggio completo del motore. La control room di I 2 PS avrà una dimensione non inferiore ai 90 m 2 ed ospiterà i computer, gli schermi di controllo, il sistema di videosorveglianza a circuito chiuso CIRA-CF Rev. 0 P. 6/13

10 (TVCC) e tutti i dispositivi necessari al controllo e monitoraggio della facility. Questa stanza, controllata in termini di temperatura e umidità, ospiterà il DCS/PLC dell impianto I 2 PS, le infrastrutture relative alla rete fonia e dati e tutti i componenti necessari al controllo del test bench. Questa area sarà occupata da personale qualificato durante l esecuzione dei test a fuoco e sarà progettata per garantire la massima sicurezza del personale. E inoltre previsto, all interno del fabbricato, un locale tecnico di circa 6 m 2 ; Fabbricato Laser Room: Un secondo fabbricato sarà realizzato e destinato a laboratorio di diagnostica ottica. Esso sarà asservito al solo impianto di ricerca HYPROB-IMP e sarà dunque attiguo alla test fire area di tale impianto. Questa area sarà composta da una laser room di circa 80 m 2, un locale per ospitare il DAS del dimostratore, servizi sanitari ed uno spogliatoio. Per la peculiarità della strumentazione ospitata in sala laser, il calpestio sarà costituito da un pavimento industriale trattato superficialmente in modo da garantire un elevato livello di pulizia e manutenibilità. La superficie sarà livellata e garantirà la corretta movimentazione degli apparati ottici da essa ospitati. La sala laser ospiterà infatti, oltra alla strumentazione laser, tutte le apparecchiature, ottiche e non, atte alla corretta caratterizzazione delle prove sperimentali. In questa stanza saranno preparati e posizionati i setup sperimentali per la diagnostica ottica ed intrusiva. La sala laser sarà posizionata immediatamente alle spalle della test fire area in modo da ridurre l attenuazione del fascio laser dalla sorgente al test article. Il muro di separazione tra detta sala e la test fire area, in calcestruzzo armato, sarà adeguatamente dimensionato tenendo conto del pericolo di scoppio. Il muro di separazione ospiterà un vetro flangiato trasparente al fascio laser, facilmente sostituibile, e di dimensioni adeguate al suo corretto passaggio, e all esecuzione dei test. La sala laser ospiterà un burner per la calibrazione del laser e per esperimenti di diagnostica ottica. La zona interessata dal burner sarà coperta da una opportuna cappa di aspirazione che garantirà la sicurezza necessaria per tali esperimenti. L accesso alla sala laser sarà garantito da una rampa e da un portellone di dimensioni tali da consentire il passaggio della strumentazione necessaria; Zona Operativa: E la zona, prevista tra le celle di prova ed il fabbricato principale, deputata allo stoccaggio dei liquidi e dei gas nonché degli impianti tecnologici. Una lista di elementi da essa ospitati, da non intendersi come esaustiva, è costituita da: CIRA-CF Rev. 0 P. 7/13

11 serbatoi di stoccaggio (LN2, LOx, N2 ed acqua demi), catch tank LCH4, storage tank LCH4, run tank LOx-LN2O e CH4, K.O. Drum del metano, evaporatori e riscaldatore ad aria, la torcia CH4 ed il camino (Ox ed N2O), la pompa LN2, il liquefattore GCH4 ed i pacchi bombole GOx e GCH4. Le due aree di prova test fire per HYPROB-PLUS ed HYPROB-IMP ospiteranno i test stand sui quali saranno montati i dimostratori a liquido/ibrido. Queste aree saranno posizionate, rispettando le distanze di sicurezza, in prossimità delle aree di storage in modo da mantenere basse perdite di carico e ridurre i costi ed i pericoli derivanti da lunghe linee fluidiche. La test cell di HYPROB-PLUS sarà alimentata da LO2, LN2O e CH4 in fase liquida e gassosa. Le portate garantiranno il test di motori a liquido di classe di spinta sino a 100 kn. Saranno previste le linee di acqua in pressione per il raffreddamento del test article e le linee di N2 (raffreddamento, purging etc ). Vi saranno quindi: un run tank ad alta pressione di ossigeno liquido che potrà essere riempito con protossido d azoto liquido (LN2O) per i test su motori ibridi; un run tank ad alta pressione per il metano (liquido e gassoso) ed un run tank di acqua pressurizzata per il raffreddamento del motore, oltre al sistema di azoto gassoso proveniente da sfere ad alta pressione. Sarà inoltre presente un sistema di stoccaggio e distribuzione di azoto liquido per la liquefazione del metano gassoso ed il chill-down delle linee. Per le prove con metano gassoso, sarà previsto un approvvigionamento da pacco bombole. Un deflettore mobile, o altro sistema atto a deviare la plume ed attenuare gli effetti dell Impatto acustico, sarà opportunamente dimensionato e posizionato nella open area a ridosso della zona di sparo di HYPROB-PLUS. Il DAS per l acquisizione dei segnali provenienti dai test article provati in HYPROB-PLUS sarà opportunamente posizionato in prossimità della zona di test. La test cell di HYPROB-IMP ospiterà il banco di prova sul quale saranno posizionati i dimostratori di motori a propellenti liquidi/ibridi sino a 6 kn di spinta ed i dimostratori MTP-like. I run tank saranno in comune con l impianto HYPROB-PLUS. Da questi si dipartiranno gli stacchi, opportunamente dimensionati sui flussi di massa dei propellenti richiesti dai dimostratori previsti e descritti nel documento dei requisiti. La soluzione adottata per lo stoccaggio dell ossigeno gassoso, così come per il metano gassoso, sarà volta ad ottimizzare il processo e garantirà le quantità e le portate necessarie a soddisfare i requisiti degli impianti circa il test dei dimostratori. Entrambe CIRA-CF Rev. 0 P. 8/13

12 le test cell saranno servite da linee di metano ed ossigeno gassosi opportunamente dimensionate per l alimentazione dei rispettivi igniter e da un sistema di alimentazione elettrica. Per il raffreddamento del motore e la polmonazione delle linee, si farà ricorso ai sistemi in comune con HYPROB-PLUS. Sarà presente uno stacco, da HYPROB-PLUS, dal run tank dell ossigeno per l N2O liquido. Entrambe le test cell ospiteranno, ciascuna, almeno due telecamere a circuito chiuso classificate ATEX, capaci di zoom e movimentazione. Esse saranno direzionate e posizionate in maniera opportuna per il corretto monitoraggio dell articolo di prova ed il segnale sarà portato in sala controllo per esser proiettato e registrato. Le aree di sparo, chiuse su tre lati e con opportuno tetto, disporranno sul lato in opposizione al dimostratore, di un ingresso costituito da un portone industriale a libretto che assicurerà la corretta ventilazione durante i test a fuoco e la protezione dagli agenti atmosferici. Le celle di prova saranno inoltre provviste di un opportuno sistema di smaltimento delle acque del sistema di raffreddamento. Entrambe le celle di prova ospiteranno un banco di prova progettato ed adeguato all alloggiamento dei motori previsti ed ai loro tiri a fuoco. I banchi di prova saranno muniti di adeguate celle di carico per la corretta misura dinamica della spinta prodotta; Pipe Rack: A partire dal pipe rack CIRA, sarà costruito un pipe rack per il passaggio dei fluidi di alimentazione e per i cavi di alimentazione elettrica. Il pipe rack si estenderà dal termine del pipe rack CIRA sino ad arrivare in prossimità delle due test fire area; Recinzione: La zona comprendente l area operativa e le celle di prova sarà opportunamente recintata in modo da garantire l assenza di personale durante l esecuzione dei test a fuoco. I serbatoi, ove necessario, saranno recintati; Altre opere: Si eseguiranno opere di urbanizzazione primaria del lotto di intervento. L area di intervento sarà opportunamente pavimentata ed asfaltata. In parte sarà sistemata a verde. Si predisporrà un area da adibire a parcheggio. Si prevede la realizzazione di un accesso carrabile con apertura automatica ed uno ad apertura manuale. Sarà prevista un ampia zona sgombra a ridosso dell apertura delle celle di prova per garantire lo smaltimento della plume e degli scarichi. Per il sistema elettrico si realizzerà, in prossimità del fabbricato principale una cabina elettrica per l arrivo della corrente in bassa tensione, da questa cabina partiranno tre diramazioni che alimenteranno, ciascuna, il fabbricato principale, la test cell di HYPROB-PLUS e CIRA-CF Rev. 0 P. 9/13

13 l unione della test cell di HYPROB-IMP e del fabbricato per la diagnostica. Si riporta, in Figura 1, l ipotesi di posizionamento delle aree di intervento descritte, in Area 19, e la posizione di I 2 PS rispetto alla cabina elettrica n.4 e al pipe rack esistente. Il dettaglio del solo impianto integrato è mostrato in Figura 2. CIRA-CF Rev. 0 P. 10/13

14 CIRA-CF Rev. 0 P. 11/13 Figura 1 - Ipotesi di posizionamento delle aree di intervento in Area 19

15 CIRA-CF Rev. 0 P. 12/13 Figura 2 - Dettaglio delle zone di intervento in Area 19 Posizionamento cabina elettrica e pipe rack

16 CIRA-CF Rev. 0 P. 13/13