Numerical and Experimental Characterization of Throttleable Hybrid Propulsion Systems. Caratterizzazione Numerica e Sperimentale di Sistemi Propulsivi Ibridi a Spinta Variabile

Gli anni '60 sono stati eccezionalmente produttivi per la propulsione ibrida: la sete di conoscenza spinse gli ingegneri di quegli anni a progettare e testare le più disparate, per svariate possibili applicazioni. Molti progetti di allora sono considerati tuttoggi affascinanti e fuori dal comune. L'era della guerra fredda ha assopito ogni entusiasmo e interesse per l'ibrido per molti anni. Un rinnovato interesse si è manifestato all'inizio degli anni '90, quando accanto alla pura prestazione propulsiva, la convenienza economica e la sicurezza sono diventati elementi imprescindibili. I motori ibridi sono sicuri, semplici, affidabili, a basso costo e modulabili in spinta. Tutte queste caratteristiche li rendono adatti a molteplici applicazioni, non necessariamente in contrasto con i motori solidi e liquidi, ma piuttosto ad essi complementari. Il livello di sviluppo tecnologico dell'ibrido necessita ancora di un intenso miglioramento, affinché l'ibrido possa essere competitivo sul mercato. Tra le peculiarità appena citate, la modulabilità della spinta è stata oggetto di questa ricerca. Il progetto è incentrato sull'investigazione di un motore ibrido ad alte prestazioni, concepito per applicazioni di esplorazione spaziale che richiedano atterraggio planetario controllato. Il principale fine della ricerca è lo sviluppo e la caratterizzazione di un motore di classe 1 kN, con caratteristiche quali: elevate prestazioni in diverse condizioni operative, sia in termini di regression rate che di efficienza di combustione, sicurezza e semplicità, affidabilità. La presente ricerca rientra in un contesto più ampio: il progetto europeo SPARTAN, coordinato da Thales Alenia Spazio, e volto allo sviluppo di un dimostratore tecnologico per atterraggio planetario controllato, dotato di un sistema propulsivo a razzo ibrido. L'Università di Padova è partner del progetto; pertanto le linee guida del progetto preliminare sono state definite sulla base dei requisiti del progetto SPARTAN. Il motore considerato utilizza HTPB come combustibile e 87.5%H2O2 come ossidante. Al fine di ottenere elevate prestazioni è stato adottata un'iniezione di tipo vortex. La scelta dell'H2O2 come ossidante deriva dai sui vantaggi intrinseci: elevata densità, elevato rapporto OF, non tossicità, possibilità di decomporlo mediante un catalitico. Grazie a quest'ultimo aspetto, l'accensione del combustibile avviene grazie ai gas caldi derivanti dalla decomposizione dell'ossidante. La ricerca di dottorato è stata condotta combinando in sinergia diversi strumenti: modelli analitici, simulazioni CFD e test sperimentali. I modelli analitici hanno favorito la comprensione dei processi fisici coinvolti. Le simulazioni numeriche hanno fornito sia utili indicazioni per il design finale del motore che informazioni dettagliate sulla balistica interna del motore, difficilmente osservabili dai test sperimentali. Infine, una campagna di test è stata svolta, allo scopo di validare i modelli numerici e verificare l'ottenimento delle prestazioni attese. Come primo passo, una volta definito il design preliminare del motore, sulla base dei requisiti del progetto SPARTAN, è stata compiuta una dettagliata indagine numerica, allo scopo di finalizzare la progettazione. Simulazioni CFD preliminari sono state realizzate, considerando una configurazione di motore già sviluppata e testata presso l'Università di Padova; il fine è stato quello di investigare la fisica di base dell'iniezione vortex, per verificare l'efficacia di questa tecnologia nell'incrementare le prestazioni di un motore ibrido. I risultati numerici sono stati confrontati con una modellazione analitica e con i dati sperimentali disponibili. In una seconda fase, la configurazione preliminare del motore identificato nell'ambito del progetto SPARTAN è stata simulata, per prevederne le prestazioni e determinare la sensibilità del funzionamento del motore a cambiamenti sia di geometria che di condizioni operative. Successivamente, le effettive prestazioni del motore sono state caratterizzate per mezzo di test sperimentali a diversi livelli di spinta. Al fine di ovviare alle problematiche di gestione e immagazzinamento dell'acqua ossigenata ad alta concentrazione, il design dell'esperimento ha previsto l'integrazione del motore ibrido con un gas generator, responsabile di riprodurre H2O2 all'87.5% decomposta, come se derivasse da un catalitico. La miscela di gas prodotta nel gas generator viene dunque iniettata come ossidante nella camera di combustione del motore. L'intero apparato sperimentale è stato integrato e le linee idrauliche sono state calibrate. Inoltre è stato definito un apparato diagnostico completo, allo scopo di monitorare in maniera completa e accurata i parametri di interesse. Numerosi test preliminari sono stati necessari, per mettere a punto ogni sottosistema e ottenere la corretta miscela ossidante, che assicuri l'accensione dell'HTPB. Infine il motore ibrido è stato testato con successo a tre livelli di spinta: spinta nominale, 75% della spinta nominale, 50% della spinta nominale. L'accensione dell'HTPB è stata ottenuta ad ogni livello di spinta ed è stata valutata la dipendenza del ritardo di accensione dal livello di spinta considerato. Le prestazioni del motore sono state analizzate ad ogni livello, in termini di regression rate in funzione del flusso di ossidante, di efficienza di combustione e di stabilità della combustione. I risultati ottenuti a ciascun livello sono stati confrontati tra loro. Qualsiasi possibile insorgenza di erosione della gola dell'ugello è stata monitorata. Un confronto finale è stato fatto tra i risultati sperimentali e la legge del regression rate di riferimento, propria di 87.5%H2O2-HTPB, con lo scopo di dimostrare l'efficacia del gas generator nel simulare acqua ossigenata decomposta ad alta concentrazione. L'effettiva composizione della miscela ossidante è stata infine stimata.