Ansia, un propellente della Vita 1.3 Introduzione alla conoscenza di se stessi. Parte Prima.
Propulsori a Propellente solido - POLIsmanettoni...Zefiro 9 Igniter: pyrotechnic igniter (left) and...
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Propulsori aPropellente solido
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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
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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
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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
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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
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Filippo Maggi6
Propellente solido: esempio di fiamma
Propellente omogeneo Propellente eterogeneo
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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
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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
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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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Filippo Maggi10
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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Filippo Maggi11
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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Filippo Maggi13
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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Filippo Maggi16
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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Filippo Maggi17
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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