Analysis Of Variable Thrust Hybrid Propulsion For Formation Flight Satellites

I motori ibridi fanno parte di un promettente ramo della propulsione aerospaziale. Sono già stati dimostrati diversi benefici, quali il fatto che siano "green", a basso costo e con una elevata sicurezza nelle operazioni. In quest'ottica, con questa tesi si vuole caratterizzare un motore ibrido a spinta variabile da utilizzarsi per collision avoidance in formation flight. Lo scopo è di incrementare un motore già esistente con le tecnologie allo stato dell'arte, ed in particolare cercare di mitigare gli effetti negativi classici degli ibridi come il basso regression rate ed efficienza di combustione. La scelta dei propellenti è ricaduta su N2O pressurizzato come ossidante e paraffina come propellente. La prima fase del progetto ha visto la creazione di un modello transient 0-D analitico per il design preliminare del motore. In particolare, si sono ricavate le dimensioni di grano, ugello e camera di combustione e la portata di massa obiettivo. Successivamente, è stato analizzato il campo di moto fluido interno alla camera di combustione tramite un codice stazionario 3-D CFD. Il risultato emerso è che il parametro fondamentale per la fluidodinamica interna è il gradiente di temperatura prodotto dalla combustione, che accelera la componente assiale di velocità raddrizzando le linee fluide. Questo stesso strumento è stato impiegato anche per caratterizzare in via numerica le configurazioni di motore che sono state poi testate. Tre gruppi di analisi sono state effettuate: a) differente portata di ossidante, per studiare il fenomeno del throttling dal punto di vista fluidodinamico, b) diverso diametro di porta del grano, per studiare il comportamento del motore in diversi istanti temporali e c) differenti configurazioni di camera di combustione, con l'impiego di componenti tipo mixer o pre/post-camere. Un tool analitico che utilizza le equazioni di Navier-Stokes in coordinate cilindriche è stato sviluppato con lo scopo di aumentare la conoscenza del campo di moto. In particolare, è stato scoperto che il profilo di velocità del flusso segue un vortice forzato, ed è presente un gradiente di pressione in senso radiale. Questa informazione ha permesso un più accurato posizionamento dei sensori, in modo da avere un minore effetto gradiente nella misura del segnale di pressione. Il throttling ha richiesto una selezione di dispositivi regolatori di flusso: la scelta è caduta su una valvola a spillo. Questa è stata caratterizzata dal punto di vista sperimentale mediante test a freddo sia con acqua che con l'ossidante reale utilizzato nei successivi test a fuoco. La campagna sperimentale è iniziata con dei test a freddo per caratterizzare i due iniettori, assiale e vortex; il risultato è che hanno la stessa portata (350g/s) a parità di salto di pressione, e quindi lo stesso coefficiente di scarica. Successivamente sono state studiate le performance con dei burn test: con la metodologia di iniezione vortex si ottengono incrementi sia di regression rate(+41%) che di efficienza di combustione (si passa da 73% a 91%). Le oscillazioni di pressione in camera scendono da un valore sulla media di pressione di 7.5% al 3.8%. Il throttling è stato studiato in due livelli: 75% e 50% della portata di massa di ossidante. La riduzione di portata è stata accompagnata da una riduzione di efficienza di combustione (85% per il primo caso, 82% per il secondo), mentre le oscillazioni di pressione sono rimaste le stesse. L'ultima parte ha visto lo studio di diverse configurazioni della camera di combustione. In particolare, si è visto che dispositivi tipo mixer permettono un incremento di efficienza fino al 96%, ed un aumento del regression rate del 6%. Anche l'impiego di pre-camere più lunghe (da 10mm a 17mm) fornisce prestazioni simili ma con incrementi minori: l'efficienza è innalzata del 3%. In entrambi i casi vi è un effetto positivo nella riduzione delle oscillazioni di pressione, che si attestano ad un valore inferiore al 2%.