Performance Characterization of Propulsion Systems for Spacecraft Applications

Oggetto del programma di ricerca è l’analisi delle prestazioni di propulsori ibridi attraverso campagne sperimentali condotte su motori in scala ridotta e completa. Le misure effettuate sono state acquisite attraverso un apposito sistema di diagnostica, composto da sensori per la misura dei valori di pressione in differenti sezioni del sistema propulsivo, sensori per il monitoraggio delle quantità impiegate di combustibile e comburente, e sensori per definire le condizioni fisiche dell’ossidante: protossido d’azoto auto-pressurizzato. Durante questa esperienza condotta al CISAS nell’ambito della propulsione chimica, svariate prove sperimentali sono state condotte per studiare le problematiche che concernono il funzionamento di motori ibridi: a) test di scarica ossidante, per la messa a punto del circuito idraulico, del funzionamento della valvola principale e delle prestazioni del sistema di iniezione; b) test di accensione, per investigare le problematiche connesse con le fasi iniziali della combustione; c) test a fuoco, per lo studio del motore durante il completo funzionamento. Tutta la strumentazione necessaria è stata accuratamente progettata e prodotta con tali finalità: la facility sperimentale, il banco di test e le diverse versioni dei sottosistemi del motore. Una consistente mole di lavoro è stata portata a termine, e ha permesso la verifica degli effetti di diverse soluzioni progettuali sulle prestazioni finali sviluppate dagli endoreattori testati. Una prima campagna sperimentale su motori in scala ridotta ha servito come “banco prova” per prendere confidenza con i sistemi propulsivi chimici, per la calibrazione della diagnostica e per evidenziare le iniziali caratteristiche prestazionali: in particolare, in questa fase è stata fatta la scelta definitiva del materiale per il grano combustibile. In un secondo momento, una prima versione in scala completa del motore è stata progettata, impiegando i risultati della precedente campagna sul propulsore in scala ridotta: l’analisi delle instabilità di combustione è iniziata a partire da questa serie di test, nella quale il comportamento instabile è stato studiato e riconosciuto come effetto dell’iniezione di ossidante nella camera di combustione. Per questo motivo, una precisa fase di studio è stata implementata per analizzare come il fluido si comporta a cavallo della piastra di iniezione: attraverso un set-up sperimentale dedicato, svariati tipi di iniettore sono stati testati in molte configurazioni diverse, nell’ottica di studiare attentamente le proprietà fisiche dell’N2O in condizione auto-pressurizzata, così come è stato impiegato nei test del motore. I risultati di questa fase intermedia hanno permesso di aggiornare alcune soluzioni tecniche del design del motore, e migliorarne in questo modo le prestazioni sia in termini di efficienza di combustione, sia nell’attenuazione delle instabilità. La verifica degli effetti sulle prestazioni sviluppate è stata effettuata durante due ultime campagne di test, condotte su due diverse versioni del motore. L’utilità di questo lavoro è stato anche quello di sviluppare una realistica versione “pre-volo” del motore, che ha impiegato materiali leggeri e una configurazione compatta: le campagne sperimentali sono state molto utili nella definizione delle sollecitazioni che potrebbero interessare un eventuale payload del sistema propulsivo prodotto.