Study and Development of Throttleable Hybrid Rocket Motors

Un motore ibrido a spinta regolabile permette di eseguire dei profili di missione molto particolari come per esempio il soft landing. Le applicazioni correnti della tecnologia propulsiva ibrida sono peculiari di per se, tra loro ci sono razzi sonda, banchi di prova volanti, navicelle per il turismo spaziale e macchine da record di velocità. Molte di loro ad oggi sono dotate di controllo della spinta. Inoltre anche possibili applicazioni future come lanciatori e motori di manovra d'orbita potrebbero beneficiare della throttleabilità. Senza modulazione di spinta il range di applicazioni della tecnologia propulsiva ibrida è molto limitato. Quando la maturità della tecnologia ibrida aumenterà la modulazione della spinta sarà una funzionalità fondamentale qualora non lo fosse già. La modulazione della spinta nei motori ibridi è l'argomento principale della presente attività di ricerca. Questo lavoro è focalizzato nello studio e sviluppo di un motore ibrido multiuso a spinta variabile, in particolare questo avrà una spinta massima di 1 kN e un rapporto di spinta 5:1. Il motore utilizzerà una miscela acquosa di perossido di idrogeno ad alto titolo come ossidante, che sarà spinto verso la camera di combustione con un sistema di pressurizzazione a monte. Due configurazioni di camera di combustione sono presentate: la prima consiste in un grano combustibile di paraffina e una post camera dotata di mixer, la seconda consiste in un’iniezione elicoidale che instaura un vortice all'interno della camera di combustione e un grano in idrocarburi a lunga catena, possibilmente polietilene ad alta densità. Ad ogni modo la campagna di test a spinta modulabile di continuo è stata effettuata con la sola seconda configurazione. In passato al gruppo di propulsione ibrida dell'Università degli Studi di Padova altri ricercatori hanno studiato la throttleabilità sia da un punto di vista teorico che sperimentale, ma questa è la prima volta che dei test dinamici a spinta variabile con un livello continuo di discretizzazione vengono effettuati, e sono effettuati grazie ad una valvola che è stata sviluppata interamente ''in casa'' durante questa tesi. Questo è anche merito della recente disponibilità di fondi presso il gruppo per lo sviluppo di nuovo equipaggiamento. I metodi utilizzati in questo progetto di dottorato sono prevalentemente sperimentali, i risultati ottenuti sono ad ogni modo comparati con quelli provenienti da modelli analitici semplificati. Il sistema di alimentazione ossidante è controllato grazie ad una valvola di controllo di flusso, componente fondamentale in una linea fluidica per motori ibridi a spinta modulabile. Questa valvola è stata sviluppata interamente come parte del progetto di dottorato. I dettagli del design sono presentati nel capitolo 3.La valvola di controllo di flusso è stata sottoposta ad una completa caratterizzazione. I risultati ottenuti con la caratterizzazione sono: la curva caratteristica, l'andamento del coefficiente di scarica, la contropressione massima accettabile, l'andamento delle frequenze di picco della cavitazione con la pressione operativa e alcuni punti della funzione di trasferimento tra portata richiesta e portata ottenuta. Successivamente all'integrazione della valvola col motore una serie di campagne sperimentali cominciò. Il primo passo è stato caratterizzare il comportamento del motore per le due configurazioni proposte per diversi livelli di spinta, mantenuta costante durante i singoli test in modo da poter stabilire la legge di regressione del combustibile e l'efficienza del motore. Successivamente la campagna di test di modulazione di spinta dinamica è stata condotta. I risultati di queste campagne sperimentali sono riportati nel capitolo 4.