Propulsori aPropellente solido

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• 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

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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

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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

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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

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Propellente solido: esempio di fiamma

Propellente omogeneo Propellente eterogeneo

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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

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• 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

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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

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Grani di propellente

Regressione di un grano solido (sezione)

Esempi di sezioni trasversali di grano solido

Esempi di sezioni di motori

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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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