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Propulsori aPropellente solido
Filippo Maggi2
• Semplice costruzione• Semplice gestione• Rapido utilizzo• Economico e compatto• Alta densità energetica
• Spinta non modulabile durante in funzionamento• Accurato progetto della camera di combustione
Sistema a propellente solido
Filippo Maggi3
Specifiche di sistema
Utilizzo come sistema di propulsione primaria: 106 – 107 N di spinta
Utilizzo come “upper stage”: 105 N di spinta
Utilizzo come motore di apogeo: 104 N di spinta
Filippo Maggi4
Componenti principali
• Propellente: temperatura combustione a circa 3000-3500 °C• Pressione: deriva da accoppiamento tra massa prodotta e scaricata• Spinta: espansione dei gas caldi in ugello• Accenditore: inizia il processo di combustione• Case e protezioni termiche: struttura e resistenza al calore
Filippo Maggi5
Propellente solido
• Sistema chimico e fisico che contiene sia il combustibile che l'ossidante in forma solida• Il calore della fiamma decompone il materiale e libera i suoi componenti che alimentano la fiamma AUTOSOSTENUTA
Propellente omogeneo Propellente eterogeneo
• Miscela Ox/Fu chimica
• Fiamma premiscelata
• Velocità di reazione dominata dalla pressione
• Miscela Ox/Fu meccanica
• Fiamma diffusiva
• Velocità di reazione dominata dalla miscelazione tra ingredienti
Filippo Maggi6
Propellente solido: esempio di fiamma
Propellente omogeneo Propellente eterogeneo
Filippo Maggi7
Propellente solido
• Il propellente, bruciando, regredisce normalmente a sé stesso e cambia la superficie di combustione nel tempo
• La velocità di combustione dipende anche dalla temperatura iniziale del propellente (sensitività)
T= ln rb
Tp
=1rb
rb
Tp
rb= x t
x
t0 tt0
In un campione da laboratorio
rb= x t
x
t0 tt0
In un campione da laboratorio Sequenza di regressione in un motore
Filippo Maggi8
• La velocità di combustione segue la legge empirica di Vieille: rb=aPcn
Legge di Vieille-Saint Robert
Parametri (a,n) definiti mediante interpolazione di dati sperimentaliIn un grafico bilogaritmico la curva interpolante è una retta
Filippo Maggi9
Pressione di combustione: esponente n
La pressione in camera di combustione, in stato quasi-stazionario, è un bilancio tra massa prodotta dal propellente e massa scaricata dall'ugello
m p=mu
A brb
p At
c*A ba pn
Esponente n > 1: motore instabileEsponente n < 1: motore stabile
Ab: superficie di combustione
ρ: densità del propellenteP
c: pressione di combustione
C*: velocità caratteristica
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Pressione di combustione: Supericie di combustione
• Diverse forme iniziali del grano di propellente portano a diverse “storie” di pressione nel tempo perché cambia la superficie di combustione
m p=mu Pc=C * Aba
A t
1
1−n
La superficie di combustione determina la pressione a cui il sistema si stabilizza
Filippo Maggi11
Grani di propellente
Regressione di un grano solido (sezione)
Esempi di sezioni trasversali di grano solido
Esempi di sezioni di motori
Filippo Maggi12
Grani di propellente: foto
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Scelta della configurazione
La scelta del tipo di grano influenza parametri di riempimento,Spostamento del centro di gravità, andamento pressione/tempo
b f=2b
diameterV f=
Propellant volumeC.C.Volume
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Caratteristiche meccaniche
Materiale viscoelastico non lineare con proprietà dipendenti dalla composizione
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Accenditori
Zefiro 9 Igniter: pyrotechnic igniter (left) and main
igniter (right)
Pirotecnico
Pirogeno
M ign=0.12V free0.7
Prima approssimazione per la massa dell'ignitore(metodo empirico)
Massa in grammiVolume in pollici cubi
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Case
Il case è il contenitore esterno del propulsore e può essere fabbricato in acciaio o in materiale composito. Ripercussioni sulla massa a vuoto del motore e quindi sul carico pagante.
Tecnica di filament windingMotore Caricato Vuoto Tipo
ARI 4 11.6 2.0 Acciaio
ARI5 269 31 Acciaio
Vega Z9 11.4 0.9 Carbon/epoxy
Vega P80 92.4 7.4 Carbon/epoxy
GEM 40 13.1 1.4 Carbon/epoxy
CASTOR 120 53.1 4.1 Carbon/epoxy
CASTOR 4 10.5 1.3 Acciaio
Dati in tonnellate
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Altri componenti
Liner: materiale gommoso che viene deposto in strato sottile tra il case di acciaio e il propellente o la protezione termica. Serve per avere una buona adesione del propellente e permettere lo scorrimento tra propellente e case vicino all'ugello
Isolante: materiale gommoso il cui scopo primario è l'isolamento termico del case. Tipicamente si utilizza un polimero chiamato EPDM (densità 0,86). Lo spessore dipende dal tempo di esposizione alla fiamma.
Inibitore: è un materiale simile all'isolante termico che viene applicato direttamente sul propellente in zone dove la fiamma non deve propagarsi e il propellente non deve bruciare.
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La parte terminale della protezione termica è libera di muoversi, impedendo la concentrazione del carico in zona terminale
Riduzione carico assiale sulla protezione
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Ugello
L'ugello provvede all'accelerazione del gas.
Diverse configurazioni esistenti a seconda dell'applicazione
Deve essere protetto dalle alte temperature dei gas con metodi passivi (protezioni termiche)
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Ugello – Protezione termica
Ugelli per piccoli motori
Ugelli con giunzione flessibile per TVC
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Sistemi di attuzione dell'ugello
Attuatori per il TVC dello Shuttle – Volo STS 102
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Esempi di SRM - 1
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Esempi di SRM - 2
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Esempi di SRM – 3
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Esempi di SRM - 4
Valori di massa in libbre
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Esempi di SRM - 5
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