Numerical and Experimental Investigation of Hybrid Rocket Motors Transient Behavior

Man mano che le attività spaziali stanno passando da una fase di ricerca delle prestazioni pure ad una fase di maggior accessibilità, sta crescendo un rinnovato interesse nei confronti della propulsione ibrida. I motori a razzo ibridi sono interessanti per i loro vantaggi intrinseci, come la semplicità, l'affidabilità, la sicurezza e la riduzione dei costi. Inoltre è facile modulare la spinta dei motori ibridi e quindi essi rappresentano un candidato ideale per le applicazioni che richiedono un atterraggio morbido o la gestione dell'energia. Questa tesi riguarda principalmente uno studio teorico/numerico del comportamento transitorio dei motori ibridi. Lo studio del comportamento transitorio è un aspetto molto importante nello sviluppo di motori ibridi stabili, efficienti, in particolare quando sono richiesti throttling e controllabilità. Inoltre il comportamento transitorio è importante anche per motori che operano ad un punto di funzionamento fisso, non solo nella previsione delle fasi di accensione e spegnimento ma soprattutto nell'analisi delle instabilità. La previsione e la riduzione delle instabilità rappresentano una delle principali sfide della propulsione ibrida (come in generale in tutti i propulsori a razzo). Lo scopo di questa tesi di dottorato è quello di indagare e simulare il comportamento transitorio di un propulsore ibrido attraverso lo sviluppo di un codice numerico. Il codice numerico è composto da più parti distinte accoppiate tra loro, ciascuna facente riferimento a un sottosistema differente del motore a razzo ibrido. A causa di vincoli di bilancio e di tempo non è stato possibile effettuare una attività sperimentale dedicata per questa tesi. Tuttavia, i risultati numerici sono stati confrontati con i dati sperimentali ottenuti dalla letteratura, dai partner del CISAS (come Nammo), e da altre attività sperimentali del CISAS effettuate sia prima che durante questo periodo di dottorato. Ogni sottosistema del propulsore ibrido e i suoi relativi codici sono descritti in un capitolo diverso. Nel primo capitolo viene introdotta la fisica stazionaria della combustione ibrida seguita da una discussione sull'effetto che essa ha sulla variazione temporale dei parametri operativi del motore. Nel secondo capitolo vengono classificati e descritti i tipici eventi transitori che avvengono durante il funzionamento di un motore ibrido (accensione, throttling, spegnimento). Nel terzo capitolo inizia la descrizione dei vari modelli che definiscono il comportamento transitorio dei motori ibridi. In questo capitolo l'attenzione è focalizzata nella modellazione numerica del comportamento termico del grano solido. L'obiettivo principale è quello di determinare la risposta del combustibile solido alle variazioni di flusso termico sulla superficie. A tal fine è stato sviluppato un modello numerico monodimensionale della risposta termica transitoria del grano. Il modello è basato sul lavoro di Karabeyoglu e risolve il profilo termico nella direzione normale alla superficie. Nel primo paragrafo viene sviluppato il modello base per combustibili polimerici. Nel secondo paragrafo il modello è accoppiato con la risposta dello strato limite allo scopo di simulare le tipiche instabilità a bassa frequenza dell'ibrido. Nel terzo paragrafo il modello base viene esteso per simulare combustibili che formano uno strato fuso sulla superficie del grano. Difatti recentemente è stata scoperta da ricercatori dell'università di Stanford una nuova classe di combustibili ad elevata velocità di regressione. Questi combustibili formano uno strato di liquido sulla superficie fusa durante la combustione. Grazie all'entrainment di goccioline di combustibile la velocità di regressione è aumentata considerevolmente a causa del nuovo meccanismo di trasporto di massa. Diversi ricercatori hanno confermato una velocità di regressione pari a 3-4 volte quella dei combustibili ibridi tradizionali. Studi successivi hanno mostrato tramite esperimenti visivi la presenza di onde sulla superficie liquida e di goccioline trasportate dalla corrente, confermando le previsioni iniziali. Il terzo paragrafo è diviso in tre parti. Nella prima parte è presentato il modello sviluppato per predire il profilo di temperatura e il regression rate in un combustibile a base di paraffina. Nella seconda parte viene discussa la fenomenologia dell'entrainment supercritico. Nella terza parte viene discusso il problema della chiusura delle equazioni per tener conto della variabilità spaziale e temporale del fenomeno dell'entrainment. Nel quarto capitolo l'attenzione è concentrata sulla gasdinamica della camera di combustione. A tal fine sono stati sviluppati due modelli numerici transitori. L'obiettivo di questi codici è di determinare il comportamento transitorio dei principali parametri del motore ibrido. Il modello della camera di combustione rappresenta il cuore della simulazione del motore ibrido. Difatti questo modello fornisce direttamente il parametro principale di un sistema propulsivo, cioè la spinta. I modelli dei capitoli precedente e successivo definiscono i parametri di ingresso per il modello della camera di combustione. Infatti il modello del grano del capitolo 3 determina la portata di combustibile mentre il modello del serbatoio e delle linee di alimentazione del capitolo 5 fornisce la portata di ossidante. Nella prima parte di questo capitolo viene sviluppato un modello non-stazionario globale della camera di combustione. Il codice viene poi accoppiato con il modello del grano descritto nel capitolo precedente per tener conto della produzione transitoria di combustibile. Segue una breve discussione sui tempi caratteristici di un motore ibrido e la loro relativa grandezza. Nella seconda parte viene sviluppato un codice monodimensionale non-stazionario della camera di combustione. Il codice transiente monodimensionale è in grado di simulare tutti gli aspetti già trattati dal codice zero-dimensionale. Esso aggiunge la risposta acustica del sistema e la variazione spaziale delle grandezze fluidodinamiche nella direzione del flusso, incrementando l'accuratezza a scapito di un maggiore costo computazionale. Il quinto capitolo termina la descrizione dei vari modelli del sistema propulsivo ibrido. Insieme ai capitoli 3 e 4 compone il codice che descrive il comportamento transitorio dei motore ibridi. In questo capitolo l'attenzione è concentrata sula modellazione numerica del percorso dell'ossidante. Ciò include tutto ciò che si trova a monte della camera di combustione, come il sistema di pressurizzazione, il serbatoio principale, le linee di adduzione. Inoltre considera anche la piastra di iniezione e alcuni aspetti dell'atomizzazione ed evaporazione del liquido nella camera di combustione. Questa parte è complementare con quella descritta nel capitolo 3 e definisce i parametri d'ingresso per il cuore del codice, cioè la gasdinamica della camera di combustione del capitolo 4. Il principale obiettivo di questo lavoro è determinare come il sistema di alimentazione influenza i principali parametri prestazionali del motore nel tempo. Per questo motivo varie incognite come la portata di ossidante, la pressione nel serbatoio e la quantità di gas residuo vengono determinate attraverso la modellazione del comportamento dei vari sottosistemi. Inoltre viene indagato anche l'accoppiamento non-stazionario tra il sistema di iniezione e la camera di combustione. Questo capitolo è diviso in tre parti. Il primo paragrafo riguarda il sistema di pressurizzazione. Dopo una breve descrizione delle principali alternative la discussione continua con la modellazione numerica delle principali soluzioni adottate nei motori ibridi (pressure-regulated, blowdown e autopressurizzato). Prima di tutto viene sviluppato un modello numerico di un sistema pressure-fed. Il codice è in grado di predire svariati parametri tra cui le masse, temperature, densità e pressioni del gas nel serbatoio principale e in quello del pressurizzante, la portata di pressurizzante e il livello di riempimento del serbatoio. Il modello considera vari aspetti tra cui gli scambi termici, l'evaporazione del liquido, la combustione finale in fase gassosa, l'uso di by-pass e valvole digitali. Successivamente viene sviluppato un modello numerico di un sistema autopressurizzato. Il codice è in grado di predire la temperatura, densità, pressione dell'ossidante assieme al titolo della miscela. I risultati numerici vengono comparati con i test sperimentali condotti dal CISAS. Il secondo paragrafo considera l'accoppiamento non-stazionario tra il sistema di iniezione e la camera di combustione. La principale difficoltà deriva dalla determinazione della portata istantanea di liquido e della relazione che lega la portata di liquido a quella di gas che partecipa alla combustione. In questo modo è possibile simulare le instabilità dovute a tale accoppiamento. Il terzo paragrafo riguarda la determinazione della portata di massa attraverso la piastra di iniezione. In particolare viene investigato il comportamento di sistemi autopressurizzanti. In questo caso la pressione in camera di combustione è al di sotto della pressione di vapore dell'ossidante nel serbatoio. Per questo motivo nell'iniettore si sviluppano importanti fenomeni di cavitazione. Questo tipo di flussi bifasici coinvolgono diversi aspetti di modellazione. Tre modelli differenti sono comparati con test sperimentali effettuati dal CISAS con l'obiettivo di determinare l'accuratezza delle previsioni numeriche. Nel sesto capitolo vengono analizzate alcune tecniche avanzate per aumentare la velocità di regressione e l'efficienza dei motori ibridi con una particolare attenzione al loro effetto sul comportamento transitorio del motore, soprattutto sulle instabilità. I due metodi studiati in questa tesi sono l'uso di un diaframma in mezzo al grano e l'utilizzo di un'iniezione swirl. La ragione di questa scelta è legata al fatto che entrambe le tecniche sono state testate (tra gli altri) dal CISAS e risultano essere molto promettenti a riguardo del superamento degli storici punti deboli dei motori ibridi. Anche se funzionanti con principi molto diversi entrambi i metodi inducono un elevato incremento della turbolenza e del miscelamento di reagenti nella camera di combustione, promuovendo il completamento della combustione e un più elevato flusso termico a parete. Oltre ad incrementare notevolmente le prestazioni dei motori ibridi queste due tecniche possono influenzare anche il comportamento transitorio di un motore sia direttamente (modificando il campo fluido all'interno della camera di combustione), sia indirettamente (ad esempio riducendo la lunghezza della camera per via di una maggiore velocità di regressione). Nell'ultimo capitolo vengono riassunte le attività svolte ed i risultati ottenuti.