Prova finale di Propulsione aerospaziale
AA 2022/2023
“Endoreattori a propellente solido”
Docente: Andriani Roberto
Autori:
Campi Anna - 10725944
Cerletti Elena - 10742312
Sommario
1. Introduzione ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………2
2. Progettazione del motore ..................................................................................................................................... 3
2.1 Componenti ..................................................................................................................................................... 3
2.1.1 Motor Case ............................................................................................................................................... 4
2.1.2 Nozzle ....................................................................................................................................................... 5
3. Velocità di regressione.......................................................................................................................................... 8
3.1 Pressione in camera ......................................................................................................................................... 8
3.2 Temperatura .................................................................................................................................................. 11
3.3 Combustione erosiva ..................................................................................................................................... 12
3.4 Accelerazioni .................................................................................................................................................. 12
4. Grano di propellente ........................................................................................................................................... 14
4.1 Classificazione ................................................................................................................................................ 14
4.1.1 Classificazione Principale ........................................................................................................................ 14
4.1.2 Ulteriori Classificazioni............................................................................................................................ 16
4.2 Composizione dei propellenti ........................................................................................................................ 17
4.2.1 Ossidanti Inorganici ................................................................................................................................ 17
4.2.2 Combustibili ............................................................................................................................................ 18
4.2.3 Leganti .................................................................................................................................................... 18
4.2.4 Additivi .................................................................................................................................................... 18
4.3. Produzione e lavorazione del grano ............................................................................................................. 21
4.3.1 Produzione dei propellenti a doppia base .............................................................................................. 21
4.4 Forma del grano............................................................................................................................................. 22
4.5 Sforzo e deformazione................................................................................................................................... 24
5. Manovrabilità ...................................................................................................................................................... 26
6. Hazards ................................................................................................................................................................ 28
6.1 Tossicità ......................................................................................................................................................... 28
6.2 Accensione involontaria ................................................................................................................................ 28
6.3 Sovrapressione e guasto del case .................................................................................................................. 29
6.4 Detonazione................................................................................................................................................... 30
7. Instabilità di combustione .................................................................................................................................. 31
7.1 Instabilità Acustica ......................................................................................................................................... 31
8. Esempi ................................................................................................................................................................. 34
Ariane 4 PAP boosters ......................................................................................................................................... 34
Ariane 5 p-230 SRM ............................................................................................................................................. 34
Space Shuttle SRM ............................................................................................................................................... 35
SLS Solid Rocket Booster...................................................................................................................................... 36
Per correttezza si sottolinea che, dato che nel campo spaziale il linguaggio tecnico è composto da termini in lingua
inglese, nella relazione alcuni di questi termini verranno lasciati in inglese e non verranno tradotti, in quanto non esiste
una traduzione completa ed esaustiva che riporti al significato di questi.
Simbologia
𝑎 = coefficiente di temperatura
[𝑚⁄(𝑠 𝑃𝑎𝑛 )]
Ab = area della superficie di combustione
[𝑚2 ]
Ae = area di efflusso dell’ugello
[𝑚2 ]
Ap = area di porta
[𝑚2 ]
At = area di gola dell’ugello
[𝑚2 ]
c* = velocitá caratteristica
[𝑚⁄𝑠]
CF = coefficiente di spinta
[]
F = spinta
[N]
I = impulso totale
[N s]
Isp = impulso specifico
[s]
K = parametro di Klemmung
[]
𝑚̇𝑏 = portata della generazione di gas in camera
[𝑘𝑔⁄𝑠]
mn = massa espulsa da ugello nel tempo di combustione
[kg]
𝑚̇𝑛 = portata espulsa da ugello
[𝑘𝑔⁄𝑠]
n = indice di combustione
[]
pa = pressione ambiente
[Pa]
pc = pressione in camera
[Pa]
pe = pressione in sezione di uscita ugello
[Pa]
R = costante universale dei gas rapportata alla massa molare dei prodotti di combustione
[𝐽⁄(𝑘𝑔 𝐾)]
r = rateo di combustione
[𝑚⁄𝑠]
tb = tempo di combustione
[s]
TC = temperatura in camera
[K]
ue= velocitá efflusso
[𝑚⁄𝑠]
𝜌𝑔 = densità gas combusti
[𝑘𝑔⁄𝑚3 ]
Γ = parametro funzione di γ (costante specifica dei gas prodotti dalla combustione)
[]
1
1. Introduzione
I propulsori a propellente solido (Solid Rocket Motor, SRM) fanno parte della famiglia dei motori termochimici e,
ad oggi, sono una delle soluzioni maggiormente utilizzate sia in campo militare che nell’ambito dell’esplorazione
spaziale. In primo luogo si differenziano dai propulsori a propellente liquido perché vedono tutti gli elementi
necessari alla combustione, ovvero il combustibile e l’ossidante, stivati nella camera di combustione in forma di
grano solido.
È proprio grazie a questa struttura che gli endoreattori a propellente solido hanno un grande successo per alcune
specifiche applicazioni: la presenza del grano solido e l’assenza di un sistema di alimentazione complesso
conferiscono ad essi una serie di vantaggi legati alla semplicità, affidabilità e prontezza di impiego e quindi ai costi
contenuti. Inoltre, scegliendo un propellente solido, si hanno vantaggi legati alla possibilità di ottenere buoni
rapporti spinta-peso ed elevati impulsi specifici grazie all’elevata densità del grano.
Accanto a tali vantaggi, si osservano tuttavia diverse problematiche connesse ai rischi elevati derivanti dal
danneggiamento del grano e alla scarsa flessibilità operativa, non sono infatti possibili riaccensioni e il controllo
della spinta è limitato alla fase progettuale. La conseguenza di quest’ultimo punto è che l’andamento della spinta
nel tempo è definito dalla forma impressa alla superficie del grano e dalla velocità di combustione dello stesso.
Le applicazioni principali di questa classe di endoreattori risultano essere quindi quelle in cui l’impulso e il profilo
della spinta necessari sono noti a priori e non è richiesta alcuna riaccensione. In generale si tratta di campi di
applicazione molto ampi che vedono motori di dimensioni e spinte molto variabili (2N-11MN).
Ricadono in questa categoria:
•
•
•
•
•
Booster di lanciatori: sono utilizzati nei booster PAP dell’Ariane 4, nell’Ariane 5 P-230, nello Space Shuttle
e nella SLS;
Stadi inferiori dei missili balistici a lungo raggio;
Stadi superiori di missili balistici multistadio, lanciatori;
Motori per le manovre orbitali di grande entità;
Missili tattici: richiedono accelerazioni più o meno elevate a seconda della loro funzione.
2
2. Progettazione del motore
Vista la varietà di tipologie di motori a propellente solido, nonostante alcuni elementi comuni a tutti, non esiste
un metodo ben definito e universale che fornisca una procedura da seguire nella fase di progetto. L’approccio da
usare varia in funzione dei vincoli costruttivi, dati dal tipo di applicazione, in funzione della tipologia di propellente,
delle problematiche di progetto e dei materiali necessari, nonché in base alla disponibilità di software specifici
più o meno aggiornati.
Esistono però alcuni elementi comuni: ad esempio, tendenzialmente nella prima fase di progetto, sono svolti la
selezione del propellente e lo studio della forma del grano; questo stadio è critico perché il propellente deve
soddisfare i requisiti di performance e rispettare i parametri di massimo sforzo e deformazione, mantenendo un
rateo di combustione adatto al profilo di spinta richiesto. Il grano deve anche essere sottoposto a test per
verificarne l’integrità strutturale, soprattutto nelle zone considerate più a rischio e in certe condizioni ambientali.
Un’ulteriore analisi da fare è quella dell’ugello, specialmente quando esso è particolarmente complesso o include
un sistema di controllo della spinta; altrettanto necessario è uno studio della performance del motore, degli
scambi di calore e degli sforzi nelle zone più critiche.
Ulteriore elemento comune a ciascuna fase di progetto è il fattore costi, che si cerca di ridurre il più possibile
studiando materiali e processi di manifattura più semplici e utilizzando componenti standardizzati.
Tutte le fasi di progetto, ovvero la selezione della composizione del propellente e della forma del grano, l’analisi
degli sforzi e quella termica e il progetto e manifattura dei componenti strutturali, sono estremamente
interconnesse: non è possibile infatti definire ognuno di questi elementi senza valutare la sua interazione con tutti
gli altri. Se qualsiasi analisi mostra un potenziale problema o un’incapacità di soddisfare un vincolo, allora è
necessaria una modifica del progetto, possibilmente nel grano o nel propellente.
2.1 Componenti
Come detto in precedenza, una peculiarità degli endoreattori a propellente solido è il numero contenuto e la
limitata complessità dei componenti che costituiscono il motore.
Essenzialmente si hanno quattro componenti:
• Il motor case, contenente il propellente solido, che svolge la funzione di supporto strutturale;
• Uno o più grani di propellente ;
• Un ignitore, ovvero un dispositivo per l’accensione costituito da una carica esplosiva;
• Un ugello propulsivo.
FIGURA 2. 1: SCHEMA BASE DI UN RAZZO A PROPELLENTE
SOLIDO
3
2.1.1 MOTOR CASE
Il corpo strutturale dei motori è costituito dal motor case, letteralmente il “contenitore del motore”, ovvero la
struttura primaria del missile o del velivolo di lancio.
La funzione principale del case è quella di contenere il grano di propellente, ma agisce anche da recipiente
pressurizzato; spesso i requisiti di missione richiedono che ad esso vengano aggiunti altri componenti come alette,
condotti elettrici o attuatori di controllo del vettore di spinta.
La progettazione è regolata da requisiti di vario tipo imposti dal motore e dal velivolo nel suo complesso:
principalmente le caratteristiche del case sono dettate dalla necessità di permetterne il funzionamento in
determinate condizioni ambientali, che ad esempio impongono la resistenza alla corrosione, alle sollecitazioni
termiche o alle radiazioni, oppure la capacità di sopportare determinati carichi. Quest’ultimo requisito è rispettato
grazie a programmi di analisi computerizzata delle sollecitazioni, utilizzati nelle aziende di progettazione di motori
per determinare la configurazione del case, un’analisi effettuata contestualmente a quella delle sollecitazioni sul
grano e delle deformazioni termiche.
La tecnologia di progettazione e produzione dei motor cases è soggetta alle seguenti problematiche:
•
•
•
•
Tecnologia usata in modo improprio;
Analisi del processo non corretta;
Sottovalutazione dei requisiti;
Controllo improprio dei materiali e della fabbricazione, compresa l’omissione di test non distruttivi nei
punti critici del processo di fabbricazione.
Il motor case è dunque un elemento complesso da progettare ma, grazie soprattutto al recente sviluppo di nuovi
materiali, le tecnologie legate alla sua produzione sono progredite fino a consentire la fabbricazione di cases
efficienti ed affidabili per qualsiasi applicazione nei motori a propellente solido.
I materiali più utilizzati per il case sono:
•
Metalli ad alta resistenza come acciaio, alluminio o leghe di titanio
Essi presentano molteplici vantaggi:
-
-
Per quanto riguarda la resistenza a sollecitazioni si classificano come sufficientemente robusti e
facilmente adattabili a sopportare carichi elevati, questo grazie ad eventuali flange o
inspessimenti;
Presentano buona duttilità;
Rispondono bene alle condizioni esterne, non deteriorandosi eccessivamente nel tempo a causa
degli agenti atmosferici o delle alte temperature.
Queste proprietà permettono ad un case metallico di occupare un volume inferiore rispetto ad uno in
plastica rinforzata con fibre, infatti esso ha una maggiore densità e richiede un minor isolamento.
Pertanto, a parità di involucro esterno, può contenere una quantità di propellente superiore.
Uno svantaggio dell’utilizzo di alcuni metalli è dato dalla loro tensocorrosione che può provocare un
cedimento spontaneo non prevedibile; i cases in metallo leggero e sottile aggravano la corrosione da
stress e la propagazione delle cricche;
•
Materiali compositi
Si tratta di filamenti di fibre disposti secondo schemi precisi e legati da un materiale plastico, di solito una
resina epossidica.
4
Rispetto ai materiali metallici hanno peso più ridotto, anche se necessitano di inserti o rinforzi per
sopportare carichi concentrati, presentano una espansione termica più importante e conducibilità
termica minore.
Le soluzioni che hanno più successo sono combinazioni delle due classi di materiali, in cui si ha un case metallico
combinato con un’armatura esterna in materiale composito.
Per quanto riguarda la forma del case, essa è determinata dalla configurazione del grano o dai vincoli geometrici
del velivolo sulla lunghezza o sul diametro, comunque solitamente si tratta di forme cilindriche o quasi sferiche.
2.1.2 NOZZLE
Ogni motore è dotato di almeno un ugello che provvede all’espansione dei gas caldi; solitamente si tratta di un
singolo ugello ma esistono anche dei motori più grandi che sfruttano quattro ugelli mobili per il controllo della
direzione di spinta. Il requisito principale è quello riguardante la resistenza all’erosione e alle temperature elevate,
sempre cercando di mantenere una massa ridotta e delle buone prestazioni.
Gli ugelli dei motori a propellente solido sono classificabili in cinque categorie principali:
1. Ugelli sommersi: sono chiamati così perché una parte significativa dell’ugello è sommersa all’interno del
case, in questo modo è possibile ottenere una sufficiente espansione dei gas riducendo la lunghezza
complessiva e la massa del motore, e quindi del velivolo. Per questo motivo si tratta di una tipologia usata
per applicazioni in cui la lunghezza limitata è fondamentale, come per i missili strategici lanciati da silo e
sottomarini. La sua problematica principale, minimizzabile grazie ad una buona progettazione, è
l’accumulo di ossido di materiali nella scanalatura intorno all’ugello sommerso.
2. Ugelli fissi: sono molto utilizzati per la loro semplicità, anche se non permettono il controllo della
direzione di spinta. Le principali applicazioni sono:
a. Nei sistemi di propulsione di armi tattiche per missili a corto raggio aria-aria o terra-aria (diametri
tipici delle gole tra 0,25 e 5 pollici);
b. come strap-on boosters per velivoli di lancio spaziali (diametri tipici delle gole di 10 pollici);
c. nei motori dei velivoli spaziali per il trasferimento orbitale.
3. Ugelli mobili: al contrario di quelli fissi, sono tendenzialmente sommersi e permettono il controllo della
direzione della spinta e la stabilizzazione attorno all’asse di beccheggio e imbardata; a queste funzioni è
aggiunto il controllo del rollio nel caso di doppio ugello. Le principali applicazioni sono:
a. nei sistemi di propulsione strategica a lungo raggio lanciati da terra e dal mare;
b. nei grandi boosters di lancio spaziali, come il motore a propellente solido riutilizzabile dello Space
Shuttle o il booster dell'Ariane V.
4. Ugelli estendibili: permettono di aumentare momentaneamente la sezione in uscita tramite l’estensione
dell’ugello, così facendo migliorano l’impulso specifico raddoppiando o triplicando il rapporto di
espansione, e mantengono una massa minore di quelli tradizionali a pari rapporto tra le aree. Vengono
utilizzati negli stadi superiori dei missili strategici o dei velivoli di lancio, in cui l'estensione del cono
dell'ugello è in posizione retratta durante la fase di lancio e viene spostata in posizione prima dell'avvio
del motore, ma dopo la separazione dallo stadio inferiore.
5. Ugello Blast-Tube-Mounted : il blast tube permette al centro di gravità del motore di trovarsi vicino o
davanti al centro di gravità del velivolo, limitando lo spostamento del centro di gravità durante la
combustione e facilitando la stabilizzazione del volo.
5
EROSIONE DELLA GOLA DELL’UGELLO
Uno dei problemi riscontrati nella progettazione degli ugelli, causa del disallineamento delle spinte, è l'erosione
della gola dell'ugello, risultato della complessa interazione tra:
•
•
•
•
Alta temperatura;
Flusso di gas ad alta velocità;
Impatto delle particelle che rimuove meccanicamente il materiale originale dell’ugello (impingement
erosion). Si nota che in corrispondenza della gola questo tipo di erosione è sostanzialmente nulla perché
le particelle di combustibile viaggiano parallelamente alla superficie dell'ugello;
Specie chimicamente aggressive del gas.
L'erosione radiale della gola è dovuta principalmente all’ossidazione del materiale del liner in contatto con le
specie ossidanti presenti nel flusso dei gas combusti, soprattutto nella regione di maggior trasferimento di calore.
I propellenti ricchi di combustibile (che contengono poco O2 o O libero) e i propellenti in cui una parte dell'ossigeno
gassoso viene rimossa dall'ossidazione dell'alluminio mostrano una minore tendenza a causare erosione.
Durante il funzionamento l'erosione della gola dell'ugello provoca l'allargamento del diametro della gola e, di
solito, un aumento dell'area della gola superiore al 10% è considerato inaccettabile poiché provoca una riduzione
significativa della spinta e della pressione in camera. L'erosione si verifica non solo nella regione della gola, ma
anche nelle sezioni immediatamente a monte e a valle della stessa.
Gli ugelli perdono in genere dal 3 al 12% della loro massa iniziale durante il funzionamento a causa dell’erosione.
PROGETTAZIONE E COSTRUZIONE
L'obiettivo è quello di progettare un ugello con una massa di materiale che assorbe calore e una massa isolante al
suointerno, in modo che le strutture e le giunzioni siano in grado di svolgere il proprio lavoro per tutta la durata
del volo, in ogni condizione operativa possibile. La selezione e l'applicazione del materiale appropriato è la chiave
del successo della progettazione di un ugello di un motore a propellente solido.
Lo scarico ad alta temperatura dei razzi a combustibile solido risulta essere un ambiente severo per i materiali
degli ugelli, soprattutto quando si utilizzano propellenti metallizzati; per questa ragione la maggior parte degli
ugelli di endoreattori solidi sono raffreddati con materiali ablativi.
Per quanto riguarda la scelta del profilo ottimale della parete dell'ugello, essa richiede un'analisi per determinare
quale sia quello che trasforma più rapidamente il gas in un flusso quasi-assiale, senza introdurre onde d'urto o far
impattare eccessivamente le particelle sulla parete dell'ugello.
La costruzione di un ugello in generale prevede gusci in acciaio o alluminio, progettati per sostenere carichi
strutturali, e liner ablativi compositi incollati sui gusci.
I liner ablativi sono progettati per:
•
•
•
Isolare gli alloggiamenti in acciaio o alluminio;
Avere la forma aerodinamica interna necessaria per espandere in modo efficiente i gas di combustione
per generare spinta;
Raffreddare il sistema in modo controllato e prevedibile per evitare l'accumulo di calore che potrebbe
indebolire in modo sostanziale le strutture o i materiali di collegamento.
6
Gli ugelli sono progettati in modo da garantire che lo spessore dei liner ablativi sia sufficiente a mantenere la linea
di legame adesivo tra rivestimento e alloggiamento al di sotto della temperatura che degraderebbe le proprietà
strutturali dell'adesivo durante il funzionamento del motore.
In base alla complessità dell’ugello si possono avere:
•
Ugelli semplici, composti da un unico pezzo e non mobili, tipicamente destinati ad applicazioni con bassa
pressione in camera, brevi durate, bassi rapporti d'area e/o bassa spinta;
•
Ugelli complessi fatti di più parti (multipiece) in grado di muoversi per controllare la direzione del vettore
di spinta. Di solito sono necessari per soddisfare requisiti di progettazione più articolati, come il controllo
del vettore di spinta e il funzionamento ad alte pressioni in camera, o per garantire il funzionamento in
caso di tassi di trasferimento di calore più elevati, e/o ad altitudini più elevate, situazioni che richiedono
livelli di spinta molto elevati e durate di combustione più lunghe.
7
3. Velocità di regressione
Prima di analizzare le caratteristiche del grano e la sua lavorazione è opportuno spiegare quali sono i parametri
dell’endoreattore che influenzano in modo diretto la spinta. Essa è la forza generata dall’espulsione del gas ad alta
velocità e, dal principio di conservazione della quantità di moto applicato a un modello semplificato di velivolo,
risulta che la spinta può essere approssimata a:
𝐹 = 𝑚̇𝑛 𝑢𝑒 + (𝑝𝑒 − 𝑝𝑎 )𝐴𝑒
(3. 1)
L’equazione comprende un primo termine preponderante rispetto al secondo, detto spinta impulsiva,
proporzionale alla velocità di espulsione dei gas e alla portata di propellente espulso. Quest’ultima, nel caso di
endoreattori a propellente solido, è intuitivamente legata alla velocità di combustione 𝑟, che diventa quindi un
parametro fondamentale per lo studio e la progettazione di questa classe di endoreattori.
La velocità di combustione è anche detta velocità di regressione del grano poiché descrive lo spostamento della
superficie del grano nell’unità di tempo; il grano infatti, una volta acceso, brucia sulla sua superficie scoperta in
direzione perpendicolare ad essa e in questo modo si consuma generando il gas propulsivo ad alta temperatura.
È dunque importante analizzare i diversi parametri da cui essa dipende per cercare di comprendere il suo
comportamento in modo tale da poterla controllare. In primo luogo la velocità di combustione è una caratteristica
del propellente considerato, quindi dipende dalla composizione del propellente stesso; in generale tuttavia essa
dipende da svariati fattori, i principali dei quali sono:
•
•
•
•
•
•
Pressione in camera di combustione;
Temperatura iniziale del propellente;
Velocità dei gas in direzione parallela alla superficie di combustione;
Stato di moto del velivolo;
Forma del grano;
Altri parametri: effetti non stazionari, anisotropie del grano…
3.1 Pressione in camera
Sia la portata in massa uscente dall’ugello che il rateo di generazione del gas dipendono fortemente dalla pressione
in camera di combustione 𝑝𝑐 .
Tramite analisi sperimentali, in particolare svolte su bruciatori a barra, si è ricavato l’andamento della velocità al
variare di 𝑝𝑐 , descrivibile idealmente tramite la legge di Saint Robert:
𝑟 = 𝑎𝑝𝑐𝑛
(3. 2)
8
Questa legge, valida per tutti i combustibili più comunemente usati, mostra
un andamento lineare nel piano logaritmico (ln 𝑟 − ln 𝑝𝑐 ) come si vede in
Figura 3.1. Questo però accade nel caso ideale, nella realtà infatti si ha una
linearità “a tratti” e una rappresentazione grafica mostra delle leggere
curvature all’aumentare del range di 𝑝𝑐 considerato.
La variazione delle caratteristiche della combustione dovute al cambiamento
delle condizioni in camera è soggetta a limitazioni; in particolare si è
osservato che:
•
•
per 𝑝𝑐 più basse del limite di combustione, caratteristica del
propellente considerato, il processo di combustione è piuttosto
instabile e si interrompe;
per 𝑝𝑐 superiori a un certo valore, anch’esso dipendente dal tipo di
propellente, la combustione torna ad essere imprevedibile; per la
maggior parte dei propellenti questo limite superiore corrisponde
a circa 30 𝑀𝑃𝑎.
FIGURA 3. 1 PRESSIONE – RATEO DI COMBUSTIONE SU SCALA
LOGARITMICA
Nell’equazione (𝟑. 𝟐) compaiono due coefficienti semi-empirici di proporzionalità ottenuti dai dati sperimentali:
il coefficiente di temperatura (𝑎) e l’indice di combustione (𝑛) , che rappresenta il coefficiente angolare delle rette
nel piano logaritmico. Entrambi possono essere ritenuti indipendenti da 𝑝𝑐 se si considerano ampi intervalli di
variazione della pressione di combustione e sono legati principalmente alla composizione del propellente e, nel
caso di 𝑎, alla temperatura iniziale del propellente.
La velocità di combustione è fortemente dipendente dal valore assunto da 𝑛:
•
Quando 𝒏 è alto si ha una forte dipendenza di 𝑟 da 𝑝𝑐 ; questo comporta grandi variazioni di quantità di
gas generato dalla combustione per piccole variazioni di pressione nella camera di combustione;
•
Se 𝒏 ≅ 𝟏, la velocità di regressione e la pressione in camera di combustione diventano molto sensibili
l’uno con l’altro e per questo può verificarsi un disastroso aumento di 𝑝𝑐 in pochi millisecondi;
•
Quando 𝑛 è basso nell’intorno positivo dello zero la combustione può diventare instabile ed anche
estinguersi;
•
Per 𝒏 = 𝟎 si ha la combustione piatta in cui non si hanno variazioni di 𝑟 in ampi intervalli di 𝑝𝑐 .
Un propellente con 𝑛 = 0 è detto propellente plateau e, nel grafico logaritmico che lega 𝑝𝑐 con 𝑟, é
rappresentato da una retta orizzontale. Questo caso è utile quando si vogliono minimizzare gli effetti dei
cambiamenti della temperatura iniziale del grano di propellente sul funzionamento del motore, esigenza
più frequente nei propellenti a doppia base;
•
per 𝒏 < 𝟎 , caso meno comune, la velocità di combustione diminuisce al crescere di 𝑝𝑐 .
I tipici valori dell’esponente 𝑛 per i propellenti solidi sono compresi tra 0.3 e 0.8, questo perché, affinché la
combustione sia stabile, 𝑛 deve essere minore dell’unità; ciò è intuibile osservando il legame che intercorre tra
𝑝𝑐 , la portata di generazione del gas in camera 𝑚̇𝑏 e quella di gas uscente dall’ugello 𝑚̇𝑛 :
𝑚̇𝑏 = 𝜌𝑔 𝐴𝑏 𝑟 = 𝜌𝑔 𝐴𝑏 𝑎𝑝𝑐𝑛
→ il rateo di generazione del gas è proporzionale a 𝑝𝑐𝑛
(3. 3)
9
𝑚̇𝑛 =
Γ 𝑝𝑐 𝐴𝑡
√𝑅 𝑇𝑐
→ la portata di gas uscente dall’ugello è proporzionale a 𝑝𝑐
(3. 4)
La Figura 3.2 mostra le curve tipiche che si ottengono per due valori dell’esponente balistico discordi rispetto
all’unità, nelle stesse condizioni operative. Il punto di equilibrio è l’intersezione delle curve, di conseguenza si può
ottenere la pressione pc operativa imponendo 𝑚̇𝑛 = 𝑚̇𝑏 , che risulta essere:
1
𝑝𝑐 = (𝑎 𝑐 ∗ 𝜌𝑝 𝐾)1−𝑛
(3. 5)
in cui
-
𝑅𝑇
𝑐 ∗ è la velocità caratteristica pari a 𝑐 ∗ = √ Γ 𝑐
(3. 6)
-
𝐾 è il parametro di Klemmung, dato da 𝐾 =
𝐴𝑏
𝐴𝑡
ovvero dal rapporto tra superficie di combustione e
area di gola, che tipicamente assume valori ≫ 1
(3. 7)
Si è ottenuta quindi un’espressione per la pressione di equilibrio in camera di combustione in funzione dei
parametri balistici.
FIGURA 3. 2 PRESSIONE DI EQUILIBRIO IN CAMERA DI COMBUSTIONE
Osservando la Figura 3.2 si possono intuire le diverse condizioni che si possono venire a creare per quanto riguarda
la stabilità :
•
se 𝒏 < 𝟏 si ha un funzionamento stabile, infatti la pressione in camera tende a ricondursi alla condizione
di equilibrio; l’auto stabilizzazione è tanto maggiore quanto più 𝑛 è minore dell’unità.
Questo significa che, se si considera un lieve abbassamento della pressione operativa, la portata del gas
generato risulta essere maggiore rispetto a quella in uscita dall’ugello, e questo provoca un aumento della
pressione in camera che riconduce il sistema in condizioni di equilibrio. Analogamente se 𝑝𝑐 aumentasse
leggermente, tenderebbe poi a diminuire a causa di un eccesso di portata in uscita dall’ugello;
10
•
Se invece 𝒏 > 𝟏 si ha un funzionamento instabile, infatti, ad un aumento di pressione in camera di
combustione, il sistema reagisce aumentando ancora di più questa pressione, e viceversa a diminuirla
ancor più a seguito di una sua diminuzione; questo poi si traduce in un’esplosione o in uno spegnimento.
3.2 Temperatura
La velocità di regressione del grano dipende anche dalla
temperatura del propellente prima dell’accensione (𝑻𝒑 ),
solitamente stabilita dalla temperatura ambiente con cui il
grano è in equilibrio.
𝑇𝑝 incide su 𝑟 perché prima di tutto influenza la
temperatura dei prodotti di combustione che, dato che
nella reazione di combustione adiabatica si ha
l’uguaglianza delle entalpie dei reagenti e dei prodotti,
aumenta al crescere di 𝑇𝑝 . Una maggiore temperatura dei
prodotti va a sua volta ad influire sulla velocità di
regressione, e di conseguenza sulle prestazioni, perché ad
essa corrisponde un maggiore scambio termico verso il
grano.
FIGURA 3. 3 PROFILO DI SPINTA ALL’AUMENTARE DELLA TEMPERATURA DEL
PROPELLENTE
La variazione delle prestazioni in funzione della 𝑇𝑝 vede
principalmente:
•
un cambiamento nel profilo della spinta (come mostrato in Figura 3.3): a pari condizioni una 𝑇𝑝 più elevata
porta ad un consumo più rapido del propellente ( 𝑟 maggiore) e di conseguenza ad un tempo di
combustione 𝑡𝑏 minore.
•
un mantenimento circa costante dell’impulso totale, corrispondente all’area sottesa dal profilo di spinta
(𝐹) nel tempo (Figura 3.3):
𝑡
𝑡
𝑡
𝐼 = ∫0 𝑏 𝐹 ⅆ𝑡 = ∫0 𝑏 𝑚̇𝑛 𝑢𝑒𝑞 ⅆ𝑡 = ∫0 𝑏 𝑚̇𝑛 𝐶𝐹 𝑐 ∗ ⅆ𝑡 ≈ 𝑚𝑛 ̅̅̅
𝐶𝐹 𝑐 ∗
(3. 8)
In cui:
𝐹
𝐶𝐹 = coefficiente di spinta ≔ 𝑝 𝐴
𝑐
𝑡
(3. 9)
𝑚𝑛 = massa espulsa dall’ugello nel corso del tempo di combustione
È essenziale sapere quanto la velocità di combustione sia sensibile alle variazioni di 𝑇𝑝 e limitare il più possibile
questa sensibilità, dato che può essere fonte di diverse problematiche, come il disallineamento della spinta dovuto
ad un’eventuale non uniformità della temperatura iniziale nel grano. Come nel caso della pressione in camera, la
continua variazione delle caratteristiche della combustione al variare la temperatura iniziale è soggetta a
limitazioni.
11
La variazione delle proprietà meccaniche del grano con la temperatura pone un limite alle condizioni ambientali
idonee per la conservazione e l’accensione del grano.
3.3 Combustione erosiva
Un ulteriore fattore che influenza la velocità di combustione è l’interazione tra il flusso di gas caldi prodotti dalla
reazione e la superficie del grano incombusto, questo perché la trasmissione del calore proveniente dal flusso
caldo aumenta significativamente se la velocità di tale flusso è elevata e porta quindi ad un aumento del rateo di
combustione 𝑟. L’aumento di velocità legato a questo fenomeno, detto combustione erosiva, è difficilmente
esprimibile con relazioni numeriche in quanto dipendente da diversi fattori, tra cui la pressione in camera e la
temperatura iniziale, nonché i fenomeni di scambio termico e di combustione superficiale.
Questo fenomeno è assente nei grani a combustione di estremità, al contrario è importante nei grani tubolari in
cui la superficie di combustione è sempre parallela all’asse del motore.
In questi ultimi va osservato che la combustione erosiva non ha effetto costante, infatti:
•
•
•
è più importante localmente se sono presenti turbolenze dovute a discontinuità nel grano;
è più importante nell’estremità di uscita, dato che nella cavità di questi grani la velocità dei gas combusti
aumenta andando dalla testa all’estremità di uscita;
è più importante nella fase iniziale della combustione dato che in questo stadio la velocità del gas è
maggiore, condizione dovuta alla minore dimensione della sezione trasversale a disposizione per il
passaggio dei gas (area di porta 𝐴𝑝 );
Tutti questi effetti vanno considerati nella progettazione del grano,
eventualmente correggendo l’area della sezione trasversale di
passaggio dei gas, tenendo presente che la combustione erosiva
diventa rilevante quando il rapporto tra l’area di porta e l’area di gola
è minore di 4.
L’effetto di combustione erosiva è tendenzialmente negativo, infatti
può causare una combustione eccessiva della struttura del grano e di
conseguenza provocare perdite dell’integrità strutturale del grano, con
conseguenti rotture.
In generale si cerca di mantenere bassi i livelli di combustione erosiva
e, durante il progetto dei motori, si cerca di evitarla o eventualmente
di sfruttarla a proprio vantaggio.
FIGURA 3. 4 EFFETTO DELLA COMBUSTIONE EROSIVA SULLA
PRESSIONE IN CAMERA
3.4 Accelerazioni
L’effetto di variazione della velocità di combustione può essere conseguenza anche di grandi accelerazioni subite
dal motore del velivolo: un’elevata forza centrifuga può provocare microfratture sulla superficie del grano con un
conseguente aumento della superficie di combustione, e quindi della velocità di combustione.
Le conseguenze di questo fenomeno possono essere pericolose; in particolare si hanno problemi nel caso di
accelerazioni laterali o trasversali del velivolo o di accelerazioni dovute a rotazioni attorno al suo asse. A
prescindere dalla direzione relativa dell’accelerazione rispetto al razzo, le superfici che maggiormente risentono
12
delle forze esterne, ovvero quelle che formano un angolo di 60/90 gradi con i vettori accelerazione, subiranno
incrementi importanti nella velocità di combustione, fino a raddoppiare per valori attorno ai 30g.
13
4. Grano di propellente
La particolarità degli endoreattori a propellente solido, come detto, è proprio legata al fatto che sono
essenzialmente costituiti da uno o più grani di propellente che contengono sia ossidante che combustibile, stivati
in un case. Le principali caratteristiche funzionali dell’endoreattore dipendono quindi dalla composizione e dalla
forma del grano stesso, il quale dovrà soddisfare diversi requisiti, tra i quali:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
caratteristiche riproducibili e prevedibili e prestazioni costanti, per quanto possibile, al variare delle
condizioni operative;
velocità di combustione, e di conseguenza forma del grano, adatte al profilo di spinta nel tempo richiesto
dalla missione;
alte temperature dei gas di scarico e/o massa molecolare bassa dei prodotti di combustione per avere un
alto impulso specifico;
bassi coefficienti di temperatura 𝑎 e esponente 𝑛 per avere una minore variabilità della pressione in
camera durante la combustione, e quindi una combustione più stabile;
alta densità per ridurre il volume della camera;
scarsa sensibilità alla combustione erosiva;
facilità di accensione;
buone proprietà meccaniche nel range operativo di temperature desiderato e buona aderenza alle pareti,
quindi coefficiente di dilatazione termica simile a quello delle pareti;
capacità di mantenere invariate le proprie caratteristiche con il passare del tempo durante
l’immagazzinamento;
sicuro e stabile nelle lavorazioni, costi contenuti e facile da reperire.
Molte di queste caratteristiche sono in conflitto l’una con l’altra quindi è necessario eseguire uno studio
approfondito per capire quali sono i requisiti principali del singolo progetto, in modo da trovare un compromesso
ottimale.
4.1 Classificazione
È intuibile che, essendo il propellente studiato appositamente per ogni singola missione, esisteranno innumerevoli
tipologie di grani. Essi possono essere classificati sulla base di diversi criteri:
4.1.1 CLASSIFICAZIONE PRINCIPALE
La classificazione principale vede i propellenti solidi come essenzialmente appartenenti a due famiglie: quella dei
propellenti solidi omogenei (o doppia base) e quella dei propellenti solidi eterogenei (o compositi).
PROPELLENTI SOLIDI OMOGENEI O DOPPIA BASE (DB)
I propellenti doppia-base formano un grano di propellente omogeneo, costituito da miscele di esplosivi
tenute insieme da un materiale colloidale, e per questo motivo sono chiamati anche colloidali. Sono stati
i primi ad essere utilizzati, prima che lo sviluppo dei polimeri permettesse la nascita dei propellenti
compositi.
14
Ciascun esplosivo, oltre a contenere gli elementi necessari per la reazione di combustione, ovvero
combustibile e ossidante, contiene il legante. Solitamente viene usata la nitroglicerina (NG), un esplosivo
ad elevata energia con eccesso di ossidante ma poco stabile e dotato di caratteristiche meccaniche
limitate, nella quale viene disciolta la nitrocellulosa (NC), che ha proprietà opposte.
I requisiti meccanici del grano e di stabilità del propellente limitano il rapporto
nitroglicerina/nitrocellulosa a valori inferiori ad 1 mentre per avere massimo impulso specifico il rapporto
nitroglicerina/nitrocellulosa è pari circa a 8.6, che corrisponde pressoché al rapporto di miscela
ossidante/combustibile stechiometrico.
Spesso vengono aggiunti additivi per migliorare le proprietà della miscela o per modificare le
caratteristiche della combustione, e in questo modo si ha una ulteriore divisione basata sulle sostanze
inglobate:
•
•
•
•
cast-modified double-base se si aggiungono nitramine cristalline (HMX/RDX) per migliorare
prestazioni e densità;
elastomeric-modified cast double-base (EMCDB) se si usa un elastomero legante, come il
polibutadiene reticolato, per migliorare le proprietà fisiche e in parte anche le prestazioni;
composite double-base propellant se si addiziona il perclorato di ammonio che determina un
incremento dell’impulso specifico;
composite-modified double-base propellant (CMDB) se si aggiungono ossidanti inorganici, quali
il perclorato di ammonio e polveri di alluminio o di magnesio, per migliorare l’impulso specifico e
la densità; in questo caso il gas di scarico risulta fumoso.
Alla nitrocellulosa ed nitroglicerina può essere anche aggiunta una terza sostanza (ad esempio di- e triglicolnitrodietilene o nitroguanidina) e in questo caso sarebbe più corretto parlare di tripla-base.
Le caratteristiche principali dei propellenti omogenei sono:
•
•
•
•
•
basso costo;
getto non tossico, assenza di fumi;
buone proprietà meccaniche;
basso 𝑛, buon controllo di 𝑟;
basse prestazioni (𝐼𝑠𝑝 ≅ 220 𝑠 nel vuoto);
•
•
bassa densità (𝜌 ≅ 1.6 𝑔/𝑐𝑚3);
elevata reattività chimica e pericolosità.
Avendo queste caratteristiche, vengono impiegati esclusivamente per applicazioni militari.
PROPELLENTI SOLIDI ETEROGENEI O COMPOSITI
Prima di tutto questo tipo di propellenti è meno pericoloso rispetto ai propellenti doppia base, sia nella
produzione che nell’utilizzo. Essi sono composti da cristalli di ossidante e da una matrice di combustibile
di tipo plastico o gommoso e sono ottenuti da una miscela di ingredienti solidi, come cristalli di perclorato
di ammonio e polvere di alluminio, e liquidi.
Anche in questo caso il rapporto di miscela tra combustibile e ossidante che massimizza le prestazioni è
molto vicino a quello stechiometrico, più precisamente con un lieve eccesso di combustibile, che evita
l’ossidazione delle pareti dell’ugello. Per quanto riguarda le proprietà fisico-meccaniche, è importante il
rapporto volumetrico tra combustibile e ossidante e non il rapporto di massa, quindi è più conveniente
15
usare ossidanti ad elevata densità e combustibili a bassa densità in modo da avere contemporaneamente
bassi rapporti di miscela, vicini al rapporto stechiometrico, e buone caratteristiche del propellente.
I propellenti compositi possono essere ulteriormente suddivisi in:
•
•
•
•
Propellenti compositi convenzionali:
di solito contengono il 60/72 % di perclorato di ammonio, fino al 22% di polvere di alluminio come
combustibile metallico e tra l’8 e il 16% di legante elastomerico;
Propellenti compositi modificati:
può essere aggiunta una nitramina energetica (HMX o RDX) per migliorare le prestazioni e avere
una densità leggermente superiore oppure un plastificante energetico, come la nitroglicerina, per
migliorare le prestazioni;
Propellenti solidi compositi ad alta energia:
il legante elastomerico e il plastificante sono in gran parte sostituiti da materiali energetici, come
gli esplosivi e parte del perclorato di ammonio è sostituito da HMX;
Propellenti compositi a bassa energia.
Le caratteristiche del propellente, dal punto di vista delle prestazioni, dipendono sostanzialmente
dall’ossidante mentre la velocità di combustione è legata alle dimensioni delle particelle di ossidante
disperse nel legante.
Le caratteristiche principali dei propellenti eterogenei, anche se dipendono molto dagli ossidanti e leganti
che vengono usati, sono:
•
•
•
•
•
vasti range di velocità di regressione (tra 7 e 20 mm/sec) e densità;
elevati valori di impulso specifico (fino a 290 𝑠 nel vuoto) e di densità (𝜌 ≅ 1800 𝑘𝑔/𝑚3);
𝑛 e 𝑟 variano in base ai combustibili e ossidanti usati;
se vengono usate polveri metalliche come additivo si hanno perdite per flusso bifase nell’ugello;
bassa pericolosità.
Sulla base di queste proprietà, questi propellenti vengono usati in ambito spaziale per i booster, come
nell’Ariane 5 (P230), o per i motori principali di lanciatori, come nei primi tre stadi del Vega (P80, Zefiro e
P7), e in ambito militare per i sustainer, sistemi propulsivi che entrano in azione dopo la fase di
accelerazione per controllare la traiettoria del missile. Si tratta solo delle applicazioni più comuni, nella
pratica esse sono molto più numerose, infatti negli ultimi quattro decenni i materiali compositi sono
diventati la classe più comune di propellenti.
4.1.2 ULTERIORI CLASSIFICAZIONI
Ulteriori classificazioni dei propellenti solidi sono:
1. In base all’applicazione specifica:
I propellenti sono studiati prima di tutto rispetto alla loro specifica applicazione, dato che in base ad essa sono
richieste diverse composizioni chimiche, proprietà fisiche, velocità di combustione e altri parametri.
Alcuni esempi di applicazioni sono:
-
Propellenti per booster di lancio: lavorano per lunghi tempi di combustione ad altitudine bassa e
devono generare alte spinte;
-
Propellenti d’alta quota: lavorano per lunghi tempi di combustione ad altitudine maggiore;
16
-
Propellenti per missili tattici: possono avere varie categorie di utilizzo, infatti possono lavorare per
pochi secondi ed essere stabilizzati con spin, nel caso per esempio dei missili anticarro o a corto
raggio; oppure possono avere requisiti di minore visibilità e maggiore spinta al lancio, nel caso di
missili aria-aria;
2. In base alla densità dei fumi in uscita dall’ugello:
Secondo questo criterio i propellenti si suddividono tra fumosi, a fumo ridotto o non fumosi.
La polvere di alluminio, vantaggiosa per le prestazioni, produce particelle fumose visibili, piccole e solide nei
gas di scarico.
La maggior parte dei propellenti compositi producono fumo, ma la quantità di fumi prodotti può essere ridotta
considerevolmente sostituendo il perclorato di ammonio con HMX e RDX e usando binders energetici e
plastificanti.
3. In base ai parametri di sicurezza per la detonazione:
In questo caso si possono avere propellenti potenzialmente detonabili, come i doppia base, oppure non
detonabili, come i compositi che contengono alte percentuali di esplosivi solidi (HMX,RDX) affiancati ad altri
ingredienti specifici;
4. In base alla tossicità dei gas di scarico;
5. In base al loro ingrediente principale;
6. In base al processo di manifattura.
4.2 Composizione dei propellenti
Il grano di propellente solido è costituito mediamente da un numero di ingredienti compreso tra 4 e 12 e il
processo di studio dei suoi componenti, detto propellant tailoring, è complesso: esso consiste nella scelta delle
percentuali corrette di ciascun ingrediente con lo scopo di adattare il propellente ai requisiti della missione. Si
tratta di uno studio essenziale perché le proprietà degli ingredienti possono avere un effetto importante sulle
caratteristiche del propellente e una variazione apparentemente minima di un ingrediente può causare
cambiamenti misurabili nelle proprietà balistiche, fisiche e nell’invecchiamento.
Le sostanze che costituiscono il propellente, benché spesso abbiano più di una funzione, vengono classificate in
base al loro principale scopo in: ossidanti, combustibili, leganti, plastificanti e agenti indurenti, anche detti
reticolanti.
4.2.1 OSSIDANTI INORGANICI
Gli ossidanti impiegati nei propellenti solidi eterogenei sono principalmente costituiti da cristalli di sostanze,
tendenzialmente perclorati e nitrati.
PERCLORATI
In generale si tratta di ossidanti che hanno potenziale ossidante elevato, il che rende questo materiale
adatto ai propellenti ad alto impulso specifico. Quelli più utilizzati sono il perclorato di potassio (KP),
perclorato di nitronio (NP), ma soprattutto il perclorato di ammonio (AP); quest’ultimo è l’ossidante
cristallino più utilizzato nei propellenti solidi perché, oltre ad essere largamente disponibile, è compatibile
con altri materiali e fornisce buoni risultati per quanto riguarda le prestazioni.
17
NITRATI
I più utilizzati sono il nitrato di ammonio (AN) e il nitrato di potassio (KN) che hanno applicazioni
principalmente nei razzi e nei generatori di gas a basse prestazioni. In generale i nitrati inorganici sono
ossidanti a prestazioni relativamente basse rispetto ai perclorati, ma hanno vantaggi legati ai costi e alla
non tossicità dei fumi di scarico.
In particolare il nitrato di ammonio è spesso associato a piccole quantità di stabilizzatori, come ossido di
nichel (NiO) o nitrato di potassio (KNO3), a causa della variabilità della struttura cristallina e delle proprietà
fisiche o balistiche in seguito a cambi di temperatura.
4.2.2 COMBUSTIBILI
Uno dei combustibili solidi più comuni è la polvere di alluminio, usata in diverse formulazioni di propellenti a
doppia base; essa fornisce alto impulso specifico perché ha un’alta temperatura di combustione e un’elevata
densità. È costituita da piccole particelle sferiche che durante la combustione tendono ad agglomerarsi mentre
avviene l’ossidazione in ossido di alluminio. Le piccole particelle di alluminio possono bruciare nell'aria e questa
polvere è leggermente tossica se inalata.
Un altro combustibile ad alta energia con diverse applicazioni è il boro, più leggero rispetto all’alluminio e con un
punto di fusione più elevato (2304◦ C), utilizzato soprattutto dove c’è disponibilità di ossigeno e sufficiente volume
di combustione. Il boro infatti è difficile da bruciare in camere di combustione con lunghezza limitata, ma può
essere ossidato efficientemente se le dimensioni delle sue particelle sono molto piccole.
Un combustibile che brucia più facilmente del boro, oltre ad aumentare l’impulso specifico, è il berillo, il quale
però non viene praticamente utilizzato a causa della tossicità eccessiva delle polveri che genera.
4.2.3 LEGANTI
Il legante (binder) costituisce sostanzialmente una matrice che tiene insieme tutti gli ingredienti solidi granulari, è
fatto di monomeri o prepolimeri liquidi tra cui polieteri, poliesteri e polibutadieni, che vengono miscelati con gli
ingredienti solidi, fusi e induriti, a formare un materiale duro, simile a gomma, che costituisce il grano.
I leganti hanno proprietà importanti direttamente connesse all’affidabilità del motore, alle proprietà meccaniche
e alla lavorabilità, conservabilità, invecchiamento e costi del propellente; inoltre essi sono veri e propri
combustibili, infatti vengono ossidati nel processo di combustione.
4.2.4 ADDITIVI
Per ottenere i requisiti richiesti da una specifica missione è possibile lavorare sui quantitativi e sulle dimensioni
degli ingredienti principali del propellente, oppure inserire i cosiddetti additivi: ingredienti secondari, presenti in
percentuali minori, aggiunti con lo scopo specifico di migliorare una determinata caratteristica del propellente.
Gli additivi sono utilizzati in piccoli quantitativi e hanno diverse funzioni, tra cui:
•
•
•
Accelerare o allungare i tempi di indurimento:
- Vengono talvolta aggiunti dai catalizzatori al reticolante o agli agenti indurenti per rallentare la
velocità di indurimento;
Migliorare alcune proprietà reologiche;
Opacizzare all’irraggiamento per evitare che le radiazioni scaldino parti del propellente diverse dalla
superficie esterna: il nerofumo, costituito da carbone, aumenta l’opacità all’irraggiamento, dato che
assorbe parte dell’energia radiante;
18
•
Limitare la migrazione di qualsiasi componente chimica dal binder al propellente o viceversa;
•
Minimizzare qualsiasi ossidazione o deterioramento durante lo stivaggio e migliorare le caratteristiche di
invecchiamento: gli stabilizzanti hanno lo scopo di ridurre al minimo le reazioni chimiche o fisiche lente
che possono verificarsi nei propellenti.
•
Migliorare alcune proprietà fisiche eventualmente anche durante la lavorazione:
- Agenti leganti migliorano l’adesione tra gli ingredienti solidi e il binder;
- Lubrificanti facilitano il processo di estrusione;
Uno degli scopi principali degli additivi è quello di aumentare la velocità di combustione nei propellenti compositi,
per ottenere questo è possibile usare:
1. CATALIZZATORI:
Si tratta di modificatori molto efficaci perché alterano i meccanismi di combustione: essi agiscono sulla
velocità di regressione accelerando o rallentando la combustione sulle superfici esterne; questo consente
di avere una velocità di combustione che si adatti a uno specifico design del grano e alla curva spintatempo.
I catalizzatori inorganici non contribuiscono all'energia di combustione, ma consumano energia essendo
riscaldati alle temperature di combustione.
2. PLASTIFICANTI:
Solitamente si tratta di ingredienti organici liquidi a bassa viscosità che fungono anche da combustibile.
Essi vengono aggiunti per migliorare l'allungamento del propellente a basse temperature e per
migliorarne le proprietà durante la lavorazione, per esempio riducendo la viscosità durante la fase di
colata.
3. LEGANTI ENERGETICI E PLASTIFICANTI:
Sono utilizzati al posto dei materiali organici convenzionali e contengono specie ossidanti e altre specie
organiche. Aggiungono energia al propellente provocando un modesto aumento delle prestazioni e allo
stesso tempo servono anche come leganti per trattenere altri ingredienti.
4. AGENTI INDURENTI O RETICOLANTI:
Sono presenti in piccole quantità, dallo 0,2 al 3% e hanno un effetto importante sulle proprietà fisiche del
propellente, sulla producibilità e sull'invecchiamento; inoltre permettono ai prepolimeri di formare
catene più lunghe di massa molecolare maggiore e di creare incastri tra le varie catene. Sono utilizzati
principalmente con propellenti compositi, nei quali causano la solidificazione e l'indurimento del legante.
5. OSSIDANTI ORGANICI O ESPLOSIVI:
Possono essere solidi cristallini, come le nitramine HMX o RDX, solidi fibrosi o liquidi plastificanti energetici
e sono altamente energetici con radicali −𝑁𝑂2 o altre frazioni di ossidanti incorporate nella loro struttura
molecolare. Questi materiali sono utilizzati con propellenti ad alta energia o con propellenti non fumosi e
possono reagire o bruciare da soli, se avviati con sufficiente energia di attivazione; bisogna porre
attenzione perché in determinate condizioni possono esplodere.
19
RDX e HMX sono abbastanza simili nella struttura e nelle proprietà: entrambi sono solidi cristallini bianchi
che possono essere di diverse dimensioni. L'HMX ha una densità maggiore, un tasso di detonazione più
elevato, produce più energia per unità di volume e ha un punto di fusione più alto rispetto a RDX. Per
ottenere prestazioni più elevate o altre caratteristiche desiderabili, HMX o RDX possono essere inclusi nei
propellenti e la loro quantità aggiunta può variare ed arrivare fino al 60% del propellente. La lavorazione
del propellente con questi ingredienti può essere pericolosa e, di conseguenza, le precauzioni necessarie
per la sicurezza rendono la lavorazione più costosa.
La nitroglicerina liquida (NG) di per sé è molto sensibile agli urti e all'attrito, si dissolve prontamente in
molti solventi organici e, a sua volta, agisce come solvente per la nitrocellulosa e altri ingredienti solidi. È
anche un eccellente plastificante per propellenti quando viene desensibilizzata mediante l'aggiunta di altri
liquidi o mescolata con nitrocellulosa.
La nitrocellulosa (NC) è una miscela di diversi nitrati organici ed è fondamentale nei propellenti doppia
base e CMDB; è ottenuta dalla nitrazione acida di fibre naturali di cellulosa, di legno o cotone e conserva
la struttura fibrosa della cellulosa originale sebbene sia cristallina.
Le sue proprietà significative dipendono molto dal contenuto di azoto, che può variare dall'8 al 14%, anche
se solitamente è compreso tra il 12,2 e il 13,1%; poiché è impossibile produrre nitrocellulosa da prodotti
naturali con un esatto contenuto di azoto, le proprietà richieste si ottengono mediante un'attenta
miscelazione. Di solito viene miscelata con nitroglicerina o altri plastificanti per gelatinizzarla o solvatarla
quando utilizzata con propellenti doppia base e CMDB.
La dimensione e la forma delle particelle solide all’interno del propellente possono avere una grande influenza
sulle caratteristiche dei propellenti compositi; per quanto riguarda la forma, solitamente sono sferiche per
consentire una più facile miscelazione e per avere percentuali di solidi più elevate nel propellente rispetto al caso
in cui i cristalli naturali siano spigolosi.
Normalmente le particelle di additivi sono classificabili in base alle loro dimensioni come:
-
Grosse: da 400 a 600 μm;
Medie: da 50 a 200 μm;
Piccole: da 5 a 15 μm;
Ultra-piccole: fino a 5 μm.
La maggior parte dei propellenti usa un insieme di particelle di ossidante di diverse dimensioni per massimizzarne
la quantità per unità di volume di propellente, inserendo le particelle più piccole a riempire gli spazi tra quelle più
grandi.
La Figura 4.2 mostra che l’effetto della dimensione delle particelle di alluminio combustibile sulla velocità di
combustione è molto meno evidente di quello delle particelle di ossidante.
FIGURE 4. 2 EFFETTO TIPICO DELLA DIMENSIONE DELLE PARTICELLE DI PERCLORATO DI
AMMONIO (OSSIDANTE) SULLA VELOCITÀ DI COMBUSTIONE DI UN PROPELLENTE
FIGURE 4. 1 EFFETTO TIPICO DELLA DIMENSIONE DELLE PARTICELLE DI
ALLUMINIO (COMBUSTIBILE) SULLA VELOCITÀ DI COMBUSTIONE DI UN
PROPELLENTE COMPOSITO
COMPOSITO
20
La dimensione e la forma delle particelle sia di ossidante che di combustibile solido hanno anche effetti significativi
sulle frazioni di impaccamento solido, ovvero la frazione di volume dei solidi quando imballati al volume minimo,
e sulle proprietà reologiche dei propellenti compositi non polimerizzati. Elevate frazioni di impaccamento rendono
più difficile la miscelazione, la colata e la manipolazione durante la fabbricazione del propellente.
La dimensione e la forma delle particelle solide influiscono anche sul rapporto di carico dei solidi, ovvero sul
rapporto di massa degli ingredienti solidi rispetto al totale nei propellenti non polimerizzati.
Esistono metodi di ottimizzazione computerizzati per regolare le distribuzioni delle dimensioni delle particelle
ottimizzando il carico di solidi, che può arrivare fino al 90% in alcuni propellenti compositi; i carichi elevati di solidi
sono desiderabili per prestazioni elevate, però spesso introducono complessità e costi maggiori nella lavorazione
del propellente. Bisogna quindi trovare dei compromessi tra requisiti balistici, lavorabilità, resistenza meccanica e
costi della struttura.
4.3. Produzione e lavorazione del grano
La produzione del propellente solido comporta processi fisici e chimici complessi, inoltre, anche per lo stesso tipo
di propellente (ad esempio doppia base o composito), non esiste un unico schema di produzione: la fabbricazione
varia in base al produttore, al tipo di motore e alla formulazione del propellente. Le tecniche di manifattura inoltre
sono strettamente legate alla processabilità del propellente, la quale deriva dalle proprietà reologiche del
materiale, e queste variano in modo sostanziale durante la linea di lavorazione.
I processi più complessi e critici sono quelli di miscelamento e colaggio, i quali hanno un ruolo nel determinare la
qualità, le prestazioni, la velocità di combustione e le proprietà fisiche del propellente risultante. Durante questi
processi il propellente viene quasi sempre messo in condizioni di vuoto per rimuovere ogni possibile eccesso d’aria
nel grano.
Una tecnica ad oggi molto comune è quella di trattare il propellente a blocchi, sagomati con degli stampi, e di
colarli poi all’interno del case in un secondo momento. L’involucro del motore può essere riempito o attraverso
un colaggio continuo del propellente (continuos mixing) o attraverso uno frazionato (batch mixing), usato
prevalentemente nel caso di motorizzazioni di grandi dimensioni. Lo svantaggio del colaggio di tipo frazionato è
legato al fatto che le diverse miscele di propellente possono risultare differenti sia dal punto di vista chimico, in
quanto si possono avere diverse percentuali degli ingredienti, sia dal punto di vista particellare, in quanto è assai
difficile ottenere due macinazioni identiche. Proprio le fasi di miscelazione e di colaggio risultano essere le più
critiche per la determinazione delle proprietà balistiche del propellente, in quanto fortemente dipendenti dalla
reologia del grano.
Quando si parla di pot life, ovvero del periodo di tempo in cui il propellente rimane ragionevolmente fluido dopo
il miscelamento e prima che venga colato e si indurisca, la durata è importante: un pot life di poche ore richiede
operazioni rapide di svuotamento dei miscelatori, misurazione per il controllo qualità, trasporto e colata negli
stampi.
4.3.1 PRODUZIONE DEI PROPELLENTI A DOPPIA BASE
I doppia base sono prodotti con processi che possono variare ma un elemento comune è la diffusione della
nitroglicerina liquida nella matrice solida fibrosa di nitrocellulosa, che porta alla formazione, per mezzo della
solvatazione, di un materiale solido omogeneo, ben disperso e relativamente resistente.
Alcuni dei processi per la produzione di propellenti a doppia base sono per esempio l’estrusione e lo slurry casting.
Quest’ultimo processo vede il riempimento del case o di uno stampo con una polvere di piccoli pellet solidi di
21
nitrocellulosa e una piccola quantità di nitroglicerina, e l’inondazione di tale stampo con nitroglicerina liquida, in
cui i pellet si disciolgono.
Durante la fase di colaggio e indurimento vengono utilizzati dei mandrini per assicurare una buona precisione nella
perforazione interna; essi sono realizzati in metallo con la forma della cavità del grano, sono spesso leggermente
rastremati e rivestiti con un materiale a basso attrito, come il teflon, per facilitare il ritiro del mandrino dopo
l’indurimento e per non danneggiare il grano. Nel caso di passaggi interni più articolati è necessario un mandrino
più complesso, che può essere recuperato in pezzi più piccoli attraverso l'apertura della flangia dell'ugello. Alcuni
produttori sono riusciti a creare mandrini permanenti che non si ritirano ma rimangono nel motore, fatti di
propellente schiumoso poco denso che brucia molto rapidamente una volta acceso.
Uno dei più importanti obiettivi della lavorazione è quello di produrre un grano di propellente di densità
omogenea, privo di crepe, vuoti e di altre imprecisioni che degradano le proprietà balistiche e meccaniche del
grano; infatti il gas disperso nel grano potrebbe portare a tassi di combustione troppo elevati tali da causare un
guasto catastrofico al motore. Per questa ragione, il grano finito, detto motor, è solitamente ispezionato per
individuare eventuali difetti (cricche, vuoti…) usando raggi X, ultrasuoni o altre tecniche di ispezione non
distruttive. Tali verifiche sono eseguite prelevando da ogni blocco dei campioni, che vengono poi analizzati per
studiarne le proprietà reologiche e testati in prototipi per verificarne l’efficienza. Per determinare la precisione
della performance del grano, inclusi i possibili guasti dovuti ai vuoti nel grano o ad altri difetti, è necessario
effettuare delle accensioni di prova dei grani con difetti noti. I dati ottenuti da queste prove sono fondamentali
per stabilire i criteri di ispezione per l’accettazione e lo scarto dei grani prodotti.
Nella manifattura del propellente sono necessarie particolari attrezzature: per i propellenti compositi si tratta di
attrezzature meccaniche: materiale per il colaggio, forni per l’indurimento o macchine che applichino
automaticamente il liner al case. In aggiunta, per la lavorazione dei doppia base, sono necessarie attrezzature che
lavorino meccanicamente il propellente (rulli, presse) o macchinari particolari per il processo di slurry casting.
Oltre a questi si usano macchine computerizzate per il filament winding, per la posa delle fibre o degli ugelli in
plastica fibrorinforzata.
4.4 Forma del grano
Come accennato precedentemente, le prestazioni del motore sono fortemente
influenzate dalla configurazione geometrica del grano, di conseguenza la forma
è un parametro da analizzare approfonditamente nella fase progettuale.
In primo luogo i diversi tipi di grano si possono suddividere in base a come la
superficie di combustione varia nel tempo, infatti si possono avere:
•
•
Grani progressivi: la superficie di combustione aumenta nel tempo
(ⅆ𝐴𝑏 /ⅆ𝑡 > 0) e di conseguenza aumentano anche la spinta e la
pressione in camera.
Uno svantaggio di questi è che, mentre la massa diminuisce, la spinta
aumenta e, dato che i carichi su un velivolo spaziale aumentano nel
tempo, questo non favorisce l’efficienza della struttura;
Grani neutri: la superficie di combustione si mantiene costante nel
tempo (ⅆ𝐴𝑏 /ⅆ𝑡 = 0) ; in questo caso le variazioni della spinta nel
tempo si mantengono al di sotto del 15%.
FIGURE 4. 3 SEZIONI LONGITUDINALI DI DIVERSE
TIPOLOGIE DI GRANO
22
•
La combustione neutra è la più diffusa per i velivoli spaziali, infatti il grano a stella, la forma più
comunemente usata, è approssimativamente neutra;
Grani regressivi: la superficie di combustione diminuisce nel tempo (ⅆ𝐴𝑏 /ⅆ𝑡 < 0), quindi anche la spinta
e la pressione in camera diminuiscono nel tempo.
Un grano cilindrico inibito alle estremità che brucia sulle superfici laterali è regressivo.
Come mostrato in Figura 4.4, anche la forma della sezione interna del grano determina una variazione
dell’andamento della spinta nel tempo.
FIGURE 4. 4 SEZIONI TRASVERSALI DI DIVERSE TIPOLOGIE DI GRANO E PROFILI DI SPINTA ASSOCIATI
Nella maggior parte delle configurazioni, compreso il caso a stella, il
fronte fiamma non raggiunge il liner contemporaneamente in tutte le
posizioni; quando lo raggiunge per la prima volta, la pressione della
camera inizia a diminuire e, a una data pressione, non può più verificarsi
la combustione o deflagrazione.
Il propellente residuo utilizzabile che rimane quando la combustione si
interrompe si chiama sliver e questo, in un motore ben progettato, sarà
inferiore al 2% del peso del grano.
FIGURE 4. 5 AVANZAMENTO DELLA SUPERFICIE DI
COMBUSTIONE DEL GRANO A STELLA
Un fenomeno da tenere in considerazione durante la progettazione del grano è quello della combustione erosiva,
che determina l’avanzamento della superficie di combustione e fa in modo che la velocità di regressione aumenti
all'aumentare della velocità dei prodotti di combustione. Quest’ultima varia sensibilmente procedendo lungo la
cavità del grano, in particolare è nulla all’estremità prossima all’ignitore, e aumenta avvicinandosi all’ugello;
poiché il rateo di combustione ha un andamento analogo, il problema di progettazione del grano si complica.
Gli effetti della combustione erosiva, importanti per valori di 𝐴𝑝 /𝐴𝑡 < 4 , ovvero per velocità dei gas elevate,
devono essere considerati introducendo opportune correzioni dell’area di porta rispetto alla soluzione di area
costante lungo l’ascissa del grano.
È desiderabile, infatti, che la combustione si estingua contemporaneamente su tutta la lunghezza e per questo è
necessario che la superficie di combustione avanzi in modo uniforme, poiché una combustione non uniforme
potrebbe ridurre la pressione in camera abbastanza da spegnere il motore prima che tutto il propellente sia
23
consumato. Per garantire l’uniformità, lo spessore del grano di propellente deve essere mantenuto costante, o
diminuendo il diametro della sezione della cavità, oppure aumentando lo spessore del grano vicino all'estremità
dell'ugello della camera per compensare la maggiore velocità di combustione in quel punto.
4.5 Sforzo e deformazione
Il propellente subisce diverse condizioni di carico e sollecitazioni statiche e dinamiche durante la sua produzione,
trasporto, stoccaggio e utilizzo. È essenziale dunque un’analisi delle sollecitazioni con lo scopo di progettare la
configurazione dei grani, dei liners e del supporto del grano ideale per evitare deformazioni eccessive e guasti
conseguenti a sollecitazioni.
Per effettuare l’analisi strutturale è necessario conoscere le proprietà dei materiali del grano (propellente, liner e
isolante). Questi materiali sono simili alla gomma, hanno un modulo nominale di comprimibilità di almeno 1400
Mpa e subiscono deformazioni ridotte in compressione grazie alla quasi totale assenza di vuoti; tuttavia sono
facilmente danneggiabili se subiscono carichi di tensione o taglio, infatti se si supera la resistenza del propellente
alla tensione e al taglio (in genere tra 50 e 1000 psi), il grano si danneggia o cede localmente.
FIGURE 4. 6 CURVE DI SFORZO E DEFORMAZIONE PER UN TIPICO
In generale i propellenti hanno alcune proprietà meccaniche
particolari dovute alla loro composizione. In primis hanno un
comportamento viscoelastico non lineare, ovvero la sollecitazione
massima e la massima deformazione diminuiscono ogni volta che
viene applicato un carico significativo. Sono soggetti quindi al
fenomeno del danno cumulativo (cumulative damage), cioè
accumulano danni da sollecitazioni ripetute; ciò implica che il
materiale si indebolisca a ogni ciclo di carico o applicazione di
sollecitazioni termiche. Anche le proprietà fisiche, già influenzate dal
processo di produzione, cambiano con la frequenza di applicazione
dei carichi.
D’altra parte la variazione delle proprietà viscoelastiche dei
materiali comporta anche la capacità del propellente di risanarsi e
recuperare parzialmente le proprie caratteristiche in seguito ad un
danno.
PROPELLENTE COMPOSITO CHE SOTTOLINEANO GLI EFFETTI DEI DANNI
CUMULATIVI
Al contrario, altre forme di deterioramento, come quello chimico, degradano permanentemente le proprietà di
molti propellenti.
Le modalità di danneggiamento più comuni sono:
1. Cricche: si formano all’interno del grano se sono presenti bolle d’aria, porosità o irregolarità nel volume,
oppure in superficie quando la deformazione superficiale è eccessiva. Esse aumentano la superficie di
combustione, e di conseguenza la pressione in camera, e la spinta. Un aumento duraturo di queste
grandezze provoca una variazione della traiettoria del velivolo o una sovrappressione in camera che può
portare al cedimento del case. Se il grano presenta un gran numero di piccole cricche, poche cricche
profonde o ampie aree di scollamento prima dell’accensione, l'area di combustione aumenterà in modo
imprevedibile, e la sovrappressione causerà quasi sempre lo scoppio del case. Alcune piccole crepe invece
non impediscono di solito un funzionamento soddisfacente del motore;
24
2. Rottura del legame all’estremità del grano: la rottura di questo legame comporta la formazione di una
fessura vicino al liner, all’isolante o al case. Durante la regressione del grano, parte di questa fessura viene
esposta ai gas combusti e porta ad un aumento improvviso della superficie di combustione;
3. Deformazione eccessiva del grano: dovuta a diversi possibili fattori, come una temperatura ambiente del
grano eccessivamente elevata che causa una forte riduzione della resistenza del materiale;
4. Accensione involontaria dovuta al calore assorbito dal propellente viscoelastico a causa di eccessive
vibrazioni meccaniche;
5. Rottura permanente, la cosiddetta dewetting strain, dovuta alla deformazione che provoca la rottura dei
legami tra i piccoli cristalli di ossidante solido e il binder. Questa forma di rottura si mostra inizialmente in
piccolo numerosi vuoti o porosità che aumentano le proprie dimensioni al crescere della deformazione.
Tutte queste forme di danneggiamento rendono difficile la caratterizzazione dei materiali e la previsione del loro
comportamento e delle loro proprietà fisiche in termini ingegneristici; tuttavia i dati di diverse prove monoassiali
a diverse temperature possono essere manipolati per caratterizzare il materiale, ottenendo le sollecitazioni
ammissibili e le deformazioni limite consentite.
La deformazione superficiale limite dipende da diversi fattori: dal livello di sollecitazione, dalla geometria dei grani,
dalla temperatura, dalla storia del carico e dalle dimensioni dei difetti o dei vuoti.
I carichi massimi a rottura della maggior parte dei propellenti sono relativamente bassi rispetto a quelli dei
materiali plastici, hanno valori medi che variano dai 50 ai 300 psi, e i loro allungamenti spaziano dal 4 al 250% a
seconda dello specifico propellente, della sua temperatura e della sua storia di sollecitazione. Esistono alcuni
propellenti doppia base ricchi di binder che, avendo proprietà meccaniche (resistenza e elongazione) superiori alla
media, possono sopportare sollecitazioni più elevate (fino a circa 32 Mpa) ma presentano prestazioni più ridotte,
proprio a causa dell’aumento della percentuale di binder.
Tutte queste proprietà fisiche sono strettamente legate alla pressione e al rateo di deformazione, infatti le prove
di trazione eseguite a pressione di camera danno una resistenza maggiore rispetto a quelle eseguite a pressione
atmosferica; inoltre anche tassi di deformazione elevati, dovuti a eventuali pressurizzazioni improvvise, possono
migliorare temporaneamente le proprietà del propellente. Le proprietà di resistenza del materiale dei grani sono
comunemente studiate in un range di temperature alle quali può essere sottoposto il propellente durante il suo
utilizzo, per esempio, per i missili aria-aria si tratta di valori compresi tra 219 e 344K per garantire che il grano
presenti sufficiente resistenza e elongazione sia in condizioni di basse temperature, che durante le condizioni di
carico dinamico di accensione del motore.
25
5. Manovrabilità
Il controllo su piccoli angoli della direzione della spinta è detto controllo del vettore di spinta, in inglese Thrust
Vector Control (TVC), ed è un requisito essenziale per garantire la stabilità del velivolo attorno ai tre assi. Come
accennato, la scarsa manovrabilità è proprio uno dei limiti dei SRM: il controllo della direzione del vettore di spinta,
infatti, richiede nella maggior parte dei casi l’implementazione di sistemi appositi, che portano ad un aumento di
complessità e di costi del velivolo.
I sistemi comunemente utilizzati sono:
1. jet vanes e jetavators
I sistemi che utilizzano jet vanes e jetavators si basano sullo stesso principio di funzionamento: deviare il
flusso all’altezza dell’ugello per variare la direzione della spinta. Entrambe le tipologie di sistema possono
operare con basse potenze degli attuatori, pur permettendo alte velocità di rotazione, ma la presenza di
corpi deviatori del flusso nell’ugello porta a perdite di spinta e impulso specifico fino al 2%.
In particolare, il jet vane è caratterizzato dalla presenza di alette direttamente inserite nel flusso d’uscita
dei gas; esso è l’unico dei metodi che analizziamo a non richiedere sistemi di propulsione ausiliari per il
controllo attorno all’asse di rollio e ha il vantaggio di garantire veloci variazioni di direzione. Il suo
svantaggio principale è legato all’interazione tra le alette e i gas ad alte temperature: affinché esse non si
danneggino, bisogna infatti raffreddare i gas di scarico, oppure utilizzare materiali particolarmente adatti
a sopportare alte temperature. Inoltre per ottenere i cambi di direzione richiesti dalla missione, anche
minimi, è necessaria una grande deflessione delle alette, la quale provoca un aumento della resistenza e
un rallentamento del flusso in uscita, riducendo la spinta.
I sistemi che utilizzano i jet vanes e jetavators, assieme a quelli ad ugelli mobili, richiedono un sistema di
attuatori, tendenzialmente idraulici ed elettromeccanici.
2. Ugello a cuscinetto flessibile e ugello con connettore a sfera
Si tratta in generale di sistemi che prevedono l’utilizzo di ugelli mobili per la deviazione del flusso
necessaria a cambiare la direzione della spinta. A differenza dei metodi già analizzati non ha la
problematica legata a parti mobili nel flusso caldo, ma si tratta di sistemi complessi perché devono
permettere il movimento, pur mantenendo una resistenza alle alte temperature e agli alti sforzi
rimanendo stagni.
Lo Space Shuttle, ad esempio, era dotato di un ugello a cuscinetto flessibile.
3. Liquid injection (iniezione di liquidi)
Si tratta di sistemi che deviano il vettore di spinta provocando un’onda d’urto nel flusso di scarico dovuta
all’immissione in esso di un fluido combustibile. Anche questa tipologia di controllo della spinta permette
una velocità di rotazione elevata e, al contrario dei jet vanes e jetavators, migliora le prestazioni del
motore dato che si basa sull’aggiunta di combustibile. Ha gli svantaggi di richiedere la presenza di
propellente liquido stivato a bordo e di un sistema per la sua immissione nel flusso.
È, assieme agli ugelli mobili, una delle tipologie maggiormente utilizzate: trova applicazione, per esempio,
sui SRM del Titan: valvole “pyroseal” iniettano tetrossido di azoto per il TVC nel flusso. In particolare
rimangono chiuse prima dell’accensione del motore e, al passaggio di gas caldi si aprono, fondendosi a
causa delle alte temperature, e rilasciando il tretrossido.
4. Auxiliary propulsion (propulsione ausiliaria)
26
Un’alternativa per controllare la direzione della spinta è quella di implementare un sistema propulsivo
secondario che abbia la funzione di stabilizzare il velivolo. È l’approccio usato per esempio da Magellan,
in cui il sistema è progettato per garantire il controllo attorno ai tre assi, indipendentemente dal fatto che
il propulsore principale sia spento o acceso.
5. Ugelli secondari
Tutti i metodi fino ad ora descritti garantiscono controllo di imbardata e beccheggio con un singolo ugello;
in realtà è possibile ottenere la stabilità anche implementando sistemi che prevedono ugelli secondari.
Un sistema di questo tipo, usato in missili balistici a propellente solido, è quello mostrato in figura; esso
può essere utilizzato per razzi con qualsiasi propellente consistente di una nitramina (RDX o HMX) e di un
legante polimerico.
I gas caldi di reazione fluiscono normalmente in quattro collettori e,
attraverso valvole, escono da 4 ugelli; regolando i flussi attraverso le
valvole è possibile causare degli sbilanci di forze producendo cambi di
direzione. In particolare la versione in Figura 5.1 garantisce un
controllo di imbardata e beccheggio mentre il rollio è regolato da un
altro meccanismo analogo. Un sistema di questo tipo permette di
controllare la direzione della spinta di un motore a propellente solido
tanto efficacemente quanto avviene in un razzo a propellente liquido,
ma richiede, a pari efficacia, un maggior peso. I gas di reazione hanno
una temperatura sufficientemente bassa da poter utilizzare impianti
FIGURA 5. 1 DIAGRAMMA SEMPLIFICATO DI UN SISTEMA
non raffreddati.
DI CONTROLLO A UGELLI MULTIPLI
Un approccio simile dotato di valvole di
carico, usato per la difesa missilistica, viene utilizzato negli ultimi stadi di velivoli
intercettori ; per questo uso il tempo a disposizione per le manovre è limitato e
di conseguenza la durata della combustione è breve. Le temperature dei gas del
propellente solido sono più basse dei tipici valori con i propellenti solidi (3050 K),
ma richiedono comunque che le valvole e i collettori siano fatti di un materiale
resistente alle alte temperature, come il renio o il carbonio.
Questo sistema permette di stabilizzare il velivolo in volo sui tre assi di rotazione,
o di orientare gli ugelli in diverse direzioni in base ai requisiti di missione. Oltre
ad un controllo direzionale, il sistema è in grado di fornire una spinta laterale tale
da variare lateralmente la traiettoria di volo.
FIGURA 5. 2
27
6. Hazards
I rischi legati alla presenza del grano di propellente sono molteplici e vanno conosciuti ed approfonditi per
permettere una lavorazione ed un utilizzo sicuri.
6.1 Tossicità
Molti propellenti solidi non hanno problemi significativi di tossicità, solo alcuni specifici ingredienti (agenti di
reticolazione, catalizzatori della velocità di combustione, plastica nelle fibre usate per rinforzare i case) possono
essere tossici o cancerogeni, se respirati o toccati. Essi dunque devono essere maneggiati in luoghi arieggiati e con
cautela, utilizzando guanti, maschere e protezioni per il viso; nella maggior parte dei casi però il grano completo
non è tossico.
Al contrario i gas di scarico possono essere estremamente tossici: nella reazione con i combustibili, tutti gli
ossidanti a base di perclorato producono cloruro di idrogeno (HCl) e altri composti di cloro tossici e corrosivi.
Durante il lancio di razzi, quindi, è necessario prestare attenzione per salvaguardare il personale operativo che si
trova sul percorso delle nubi di gas di scarico.
In generale i gas di scarico costituiscono un pericolo se contengono berillio o particelle di ossidi di berillio, gas di
cloro, gas di acido cloridrico, gas di acido fluoridrico o altri composti del fluoro; ad esempio, quando viene usato il
perclorato di ammonio come ossidante, i gas di scarico possono contenere fino al 14% di acido cloridrico,
altamente dannoso per la salute.
Per i grandi motori questo si traduce in tonnellate di gas altamente tossici; per questo i siti di lancio e i test dei
razzi richiedono specifiche precauzioni e occasionalmente processi di decontaminazione.
6.2 Accensione involontaria
Se avviene una combustione inaspettata, i gas caldi possono causare incendi o provocare l’accensione di motori
circostanti, inoltre, a meno che il razzo non sia fissato a terra, si genererebbe una spinta non controllata che
porterebbe a diversi danni. È quindi necessario includere sistemi di sicurezza per contrastare le possibili cause di
accensione, alcune delle quali sono:
•
•
•
correnti indotte o vaganti: per queste si usa il “safe and arm system”, un sistema elettromeccanico che
impedisce l’accensione dovuta a picchi elettromagnetici, correnti indotte da altri cavi presenti nel velivolo
o impulsi dovuti ad esplosioni, impedendo a qualsiasi corrente elettrica di raggiungere il circuito di
accensione;
scariche elettrostatiche che possono essere causate da fulmini o dall’attrito tra i materiali isolanti. La
scarica di migliaia di volt accumulati da questi fenomeni causa un ingente aumento della corrente elettrica
nei circuiti del velivolo, la quale a sua volta porta alla formazione di archi o all’eccessivo aumento del
calore trasmesso lungo il suo percorso. Per evitare che una tale carica si accumuli, tutti i propellenti e gli
isolanti devono essere buoni conduttori. L’entità delle scariche dipende dai materiali, dalla loro resistività
superficiale e volumetrica, dalle costanti dielettriche e dalle tensioni di rottura;
presenza di vibrazioni meccaniche per tempi prolungati dovute ad attriti o impatti, e l’aumento eccessivo
della temperatura che ne consegue;
28
•
I propellenti viscoelastici assorbono molto l’energia dovuta a vibrazioni e possono scaldarsi localmente in
caso di particolari frequenze per periodi di tempo prolungati; questo succede di frequente quando dei
tratti del grano non sono ben fissati e sono liberi di vibrare alla loro frequenza naturale;
fonti esterne, come un aumento di temperatura eccessivo dovuto a incendi o radiazioni di esplosioni
nucleari, impatti con il terreno o con proiettili. Per questo sono stati sviluppati ed implementati nello
studio del propellente, diversi test che misurino la resistenza del propellente ad impulsi di energia di
questo tipo.
6.3 Sovrapressione e guasto del case
Se la pressione in camera supera la pressione di scoppio del case esso può rompersi e, il rilascio conseguente di
gas ad alta pressione, può causare esplosioni. Questo accade se:
1. Il grano è vecchio o severamente danneggiato/crepato:
Il grano può essere considerato non sicuro e inutilizzabile in seguito a cambiamenti delle sue proprietà
fisiche, dovuti a cicli di carico termico o meccanico che riducono pericolosamente il margine di scurezza
su sollecitazioni e deformazioni. É possibile conoscere la vita utile di immagazzinamento del propellente
grazie a dei test; la vita utile di un particolare motore varia dai 5 ai 25 anni e dipende dalla composizione
del suo propellente e dalla frequenza ed intensità dei carichi e degli sforzi applicati. Essa può essere
allungata aumentando la resistenza dei propellenti, per esempio aumentando la quantità di binder,
minimizzando i carichi di vibrazione, i limiti di temperatura o il numero di cicli controllando gli ambienti
di immagazzinamento e trasporto;
2. Il grano ha variato leggermente la sua composizione:
Lente reazioni chimiche interne al propellente possono portare a variazioni della sua composizione tali da
ridurre le proprietà fisiche e indebolire il grano; ciò può essere evitato selezionando ingredienti tra loro
compatibili e stabili con bassa degradazione nel tempo;
3. Il case stesso è leggermente danneggiato:
Il motore ha una ridotta resistenza, a causa di imprecisioni dovute ad una manifattura di scarsa qualità o
danneggiamento durante le operazioni di trasporto o manutenzione;
4. È presente un'ostruzione dell’ugello che provoca un rapido aumento di pressione nella camera di
combustione;
5. Nei propellenti che contengono ingredienti igroscopici, l'assorbimento di umidità può degradare la forza
e le capacità di deformazione; per questo i motori a razzo sono regolarmente sigillati per impedire
l'accesso all'aria umida.
Durante la diminuzione improvvisa di pressione conseguente all’esplosione del case, il grano di propellente può
reagire in diversi modi a seconda della classe di appartenenza, determinata in seguito a vari test:
•
Classe 1.1:
Sono considerati i propellenti più pericolosi; l’esplosione del case può portare ad una detonazione molto
potente che porta alla trasformazione repentina in gas del propellente incombusto, che a sua volta rende
ancor più distruttiva e potente l’esplosione stessa del case.
Appartengono a questa classe, ad esempio, i cristalli di perclorato di ammonio piccoli e ultra-piccoli;
29
•
Classe 1.3:
I propellenti appartenenti a questa classe non detonano neanche in seguito ad una sovrappressione tanto
forte da causare una esplosione del case; essi infatti vengono solo eiettati durante questi eventi e
interrompono le loro combustioni.
La classe di appartenenza dei propellenti dipende quindi dal comportamento del propellente in seguito a
sovrappressioni e determina le regole e le limitazioni per la sicurezza, legate per esempio a quanto propellente
può essere conservato in un singolo sito, piuttosto che alle precauzioni da prendere durante il trasporto.
Il grano sottoposto ad aumenti di pressione durante la sua combustione può reagire in due diversi modi:
a. Deflagrare, quando si hanno esplosioni a velocità relativamente basse;
b. Detonare, quando si ha un fenomeno molto violento associato a onde esplosive. Questa è una condizione
più frequente con propellenti che contengono specifici ingredienti, come nitroglicerina e HMX; per
evitarla sono necessari accurati design e manifatture ed è essenziale rispettare procedure e misure di
sicurezza.
In generale tutti i propellenti possono sia detonare che deflagrare a seconda della composizione chimica del grano,
delle proprietà fisiche (densità o porosità) e del tipo e intensità di sovrappressione subita, nonché delle
caratteristiche geometriche del motore stesso; è anche possibile che una detonazione segua una deflagrazione.
Per evitare queste situazioni esistono dei limiti superiori per le condizioni operative dei propellenti che dipendono
dal propellente considerato e possono variare dai 300 MPa a poco sopra i 1500 Mpa.
6.4 Detonazione
Qualsiasi forma di stimolo energetico esterno costituisce un pericolo in quanto rischia di causare un’accensione
involontaria del propellente. Il rischio maggiore, che va evitato ad ogni costo, è che il propellente, in seguito
all’accensione, detoni rilasciando tempestivamente l’energia.
Per determinare la loro resistenza a ignizioni involontarie, i missili e i loro motori vengono sottoposti ad una serie
di test in presenza di tutti i possibili stimoli energetici e in qualsiasi condizione; prima di questi test è necessaria
una valutazione del rischio di hazard per valutare quali sono le circostanze rischiose nel ciclo di vita del missile.
La capacità di non detonare di un propellente è ovviamente posta in primo piano anche rispetto alle sue
performance propulsive; questo significa che, se un grano dovesse esplodere durante i test, bisognerebbe
modificare la scelta del propellente o riprogettare la struttura del motore, in modo da mitigare gli effetti di una
eventuale ulteriore esplosione. Per quest’ultimo punto, ad esempio, si utilizzano degli sfiati per diminuire la
sovrappressione che provoca esplosioni.
Negli ultimi 20 anni è stata sviluppata una nuova classe di propellenti, chiamati propellenti insensibili che,
utilizzando nuovi tipi di legante, minimizzano le conseguenze drastiche derivanti da inaspettati stimoli energetici,
come incendi esterni e impatti o onde d’urto.
30
7. Instabilità di combustione
Ulteriore pericolo legato alla scelta di utilizzare un propellente solido è l’instabilità della combustione che può
verificarsi in due forme: la più comune e frequente è quella dovuta alla presenza di risonanze acustiche o
oscillazioni di pressione, ma esiste anche una forma di instabilità associata a combustioni secondarie che
avvengono sulle superfici interne delle fessure nel grano.
Quest’ultima e detta vortex shedding instability (letteralmente “instabilitá dovuta allo spargimento di vortici”) e si
verifica soprattutto con grani segmentati in tante porzioni. In questo tipo di configurazioni del grano i gas caldi,
derivati dalle combustioni nelle superfici di contatto, si introducono nel flusso principale nella cavità del grano, e
vengono anch’essi direzionati verso l’ugello, provocando un
restringimento nella sezione di passaggio del flusso
principale. La riduzione dell’area di efflusso dovuta
all’introduzione di gas provenienti da combustioni
secondarie porta quindi, oltre che alla nascita di turbolenze,
ad un aumento, spesso ingente, della pressione ancor prima
della fine della camera di combustione. Si formano quindi dei
vortici che vengono periodicamente rimossi o lasciati
defluire con il flusso principale, causando così un modello di
flusso instabile. Per evitare che si verifichi questa condizione
si applicano inibitori su alcune superfici di combustione o si
varia la geometria del grano; per esempio, aumentando la
larghezza della fessura tra i segmenti di grano, le velocità FIGURA 7. 1 LINEE DI FLUSSO NELLA CAVITÀ DEL GRANO IN CORRISPONDENZA
DI UNA FESSURA
locali vengono ridotte e i vortici diventano meno intensi.
7.1 Instabilità Acustica
Come detto in precedenza, l’instabilità più frequente è quella acustica che si manifesta in onde sia trasversali che
longitudinali, le quali causano oscillazioni di pressione nelle cavità interne (dovute alla presenza di grani
segmentati, o componenti secondari) con valori tra il 5% e il 30% di quella in camera.
Si tratta di fenomeni pericolosi in quanto un’oscillazione di pressione può avere gravi conseguenze sulle intensità
dei trasferimenti di calore tra le diverse componenti del motore, ma soprattutto sul profilo temporale di spinta
che, modificandosi, può provocare una variazione della traiettoria di volo. L’aumento eccessivo di vibrazioni può
inoltre danneggiare elementi strutturali del motore, surriscaldando o rompendo il case e l’ugello.
L’instabilità acustica è un problema persistente in tutta la progettazione, produzione e mantenimento dei veicoli
a propellente solido, quindi è fondamentale studiarla durante tutto lo sviluppo del motore per poterla evitare.
Valutare le cause e le modalità con cui si verifica il fenomeno di oscillazione non è facile, anche a causa della
numerosità delle cause di innesco.
L’innesco di vibrazioni pericolose è dovuto a diversi fattori: è noto per esempio che il fattore scatenante può essere
un improvviso cambiamento di pressione che avviene, ad esempio, se un pezzo di isolante rotto o di propellente
incombusto passa attraverso l’ugello e blocca temporaneamente tutta o parte dell’area dell’ugello. In generale
non è difficile che un fenomeno di instabilità acustica si verifichi, a causa del grande quantitativo di energia
presente nella cavità del grano in cui avviene la combustione.
31
Inoltre, l’amplificazione o lo smorzamento delle vibrazioni sono legati a diversi fattori. Ad aumentare l’energia
contribuiscono le interazioni tra il flusso principale e flussi secondari (o vortici) e alcune dinamiche del processo di
combustione dovute a disturbi del flusso o ad oscillazioni del tasso di combustione, derivate dalla variazione di
pressione. Quando si verifica un picco momentaneo di alta pressione sulla superficie, infatti, aumenta il
trasferimento istantaneo di calore e quindi il tasso di combustione, causando un aumento del flusso di massa
uscente da quella superficie.
Per questo, la tendenza all’instabilità è fortemente influenzata dalle caratteristiche del propellente: le vibrazioni
del binder, delle particelle distribuite in esso, il rapporto combustibile-ossidante e i catalizzatori hanno tutti
influenza sulla stabilità, spesso in modi imprevedibili.
Al contrario portano ad una diminuzione delle vibrazioni i fenomeni di smorzamento legati agli strati limite del
flusso di gas e alla presenza in esso di particelle (con particelle solide relativamente grandi da 8 a 20 μm si verifica
l'oscillazione a bassa frequenza nei motori di grandi dimensioni e con particelle piccole da 2 a 6 μm per onde ad
alta frequenza in motori piccoli ), nonché fenomeni di assorbimento dell’energia da parte del propellente, isolante,
case o ugello.
Il livello di complessità del fenomeno di instabilità dipende anche dalla modalità con cui questa si verifica: le
oscillazioni che derivano da fenomeni di innesco hanno frequenze funzioni della geometria della cavità, della
composizione del propellente, della pressione e della zona di fiamma mentre la durata e gravità delle vibrazioni
sono legate anche alla temperatura iniziale del grano.
I modi di vibrare possono essere trasversali (o radiali) o longitudinali (o assiali); questi ultimi di solito si presentano
a frequenza inferiore rispetto a quelli trasversali e sono onde acustiche che viaggiano parallelamente all’asse del
motore, dall’estremità della cavità lato ignitore al tratto convergente dell’ugello.
É noto che l’abbattimento e l’aumento di specifici modi di vibrare sono dovuti al cambiamento dell’equilibrio tra i
fattori di amplificazione e smorzamento durante la combustione, ma non è ancora ben compresa la causa di
innesco di un particolare modo di vibrare, sebbene sia accertata la sua correlazione con l’energia di combustione
sulla superficie del propellente.
Anche determinare la frequenza di risonanza delle cavità interne non è facile a causa della complessità delle stesse,
dato che la geometria della cavità risonante cambia completamente con l’allontanarsi delle superfici del
propellente che bruciano. Quando la cavità interna al grano si allarga, le velocità locali cambiano e l’oscillazione
spesso si attenua fino a scomparire grazie allo smorzamento di particelle solide e materiali viscoelastici che
assorbono energia.
MODELLI ANALITICI E SIMULAZIONE DELLA STABILITÁ DI COMBUSTIONE:
Un metodo utile per visualizzare le onde di pressione instabili consiste in una serie di analisi di Fourier
dello spettro delle vibrazioni di pressione misurate, ciascuna presa in un momento diverso della
combustione e visualizzata come tratto verticale su una scala temporale, in modo da fornire una mappa
dell’ampiezza rispetto alla frequenza e al tempo di combustione.
È possibile simulare il comportamento durante la combustione dei propellenti solidi in alcuni casi limitati,
ad esempio per convalidare o estrapolare i risultati sperimentali o fare previsioni limitate sulla stabilità
dei progetti dei motori. Nonostante la complessità di questo tipo di fenomeni fisici (multidimensionali,
instabili, non lineari, influenzati da molte variabili), l’analisi teorica fornisce un valido contributo alla
soluzione di problemi di instabilità ed è stata utilizzata per la valutazione preliminare della progettazione
di cavità a grano.
32
VALUTAZIONE DELLA STABILITÀ DI COMBUSTIONE, RIMEDI E PROGETTAZIONE
Non è possibile effettuare una valutazione della stabilità della combustione tramite test su grandi veicoli
in scala reale, per questo si utilizzano metodi meno costosi come motori in scala ridotta, bruciatori a T e
altre apparecchiature di prova. Una volta individuata un’instabilità, non esiste una soluzione sempre
valida per evitarla, tendenzialmente si sceglie di:
•
•
•
•
•
Modificare la geometria del grano per allontanare le frequenze dai valori indesiderati;
Modificare la posizione delle alette interne e degli altri componenti secondari o variare il numero di
fessure tra i segmenti;
Modificare la composizione del propellente. Ad esempio, l’utilizzo di alluminio come additivo, a
condizione che la distribuzione sia favorevole, si è rivelato efficace nel risolvere le instabilità trasversali;
Modificare la dimensione delle particelle o usare altri particolati (Zr, Al2O3 o particelle di carbonio);
Aggiungere un dispositivo meccanico per attenuare le vibrazioni o modificare la frequenza naturale della
cavità. Questa soluzione prevede un aumento della massa e tutti i potenziali problemi derivanti
dall’aggiunta di componenti, come quelli legati all’erosione.
33
8. Esempi
Ariane 4 PAP boosters
Il lanciatore spaziale europeo Ariane 4, usato tra il 1988 e il 2003, poteva
essere equipaggiato con 2 o più boosters a propellete solido strap-on per
fornire una grande spinta durante la fase iniziale del lancio.
Caratteristiche tecniche:
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Impulso totale al livello del mare: 21,5 MNs
Impulso specifico al livello del mare: 233 s
Tempo di combustione: 33 s
Pressione massima: 6,1 Mpa
Diametro del motore: 1,07 m
Lunghezza del motore: 11,32 m
Massa totale del motore: 11,57 ton
Massa del propellente: 9,64 ton (~83,3% della massa totale)
Il motore è essenzialmente costituito da un case cilindrico di acciaio AlSi
4130, sottoposto a dei trattamenti termici per ridurre le tensioni interne del FIGURA 8. 1
materiale.
Il propellente di composito è dato dall’unione di: CTPB (Carboxyl-Terminated Polybutadiene) per il 13%, alluminio
come combustibile per il 16% e perclorato di ammonio come ossidante per il 71%. Il grano è a stella in modo da
ottenere un comportamento della spinta neutro o leggermente progressivo.
L’ugello è realizzato in carbonio fenolico con un rinforzo di acciaio vicino alla gola e, per limitare la lunghezza del
motore, è parzialmente sommerso nella camera di combustione.
Ariane 5 p-230 SRM
Per il lanciatore spaziale europeo Ariane 5, usato tra il 1996 e il 2023, è stato usato un motore booster strap-on,
il P-230 SRM.
Caratteristiche tecniche:
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Impulso medio totale nel vuoto: 643 MNs
Spinta media nel vuoto: 4984 kN
Impulso specifico al livello del mare: 275,4 s
Tempo di combustione: 129 s
Pressione massima: 6,1 Mpa
Diametro del motore: 3,05 m
Lunghezza del motore: 27,34 m
Massa totale del motore: 269 ton
Massa del propellente: 237,7 ton (~88,4% della massa totale)
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Il propellente composito è un mix di gomma sintetica (Hydroxyl Terminated Polybutadiene) (14%), polvere di
alluminio (18%) come combustibile e perclorato di ammonio (68%) come ossidante, ha una densità pari a 1770
kg/m^3 e brucia con una velocità di 7.4 mm/s.
Il grano propellente legato al case ha forma tubolare con un foro centrale approssimativamente circolare di
diametro 1,265 m; solo il segmento più vicino all’ignitore ha una forma a stella a 15 punte per permettere di
raggiungere più rapidamente la spinta necessaria.
L’ugello ha una massa di 6400 kg, una gola in carbonio e un cono di uscita in carbonio fenolico, situato all’interno
di una struttura esterna a nido d’ape in acciaio e alluminio rivestito di acciaio. L’ugello sommerso ha una
lunghezza di 3,78 m, un diametro di gola pari a 0,900 m e un diametro d’uscita di 2,99 m.
Space Shuttle SRM
Lo Space Shuttle, usato tra il 1981 e il 2011, è stato un sistema di lancio riutilizzabile. I suoi motori principali
(SSMEs) erano assistiti da 2 boosters strap-on durante le fasi iniziali del lancio. Il gruppo motore era costituito da
4 segmenti di propellente solido.
Caratteristiche tecniche
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Impulso totale nel vuoto: 1415 MNs
Impulso specifico nel vuoto: 286,4 s
Tempo di combustione: 123,7 s
Diametro del motore: 3,71 m
Lunghezza del motore: 38,5 m
Massa totale del motore: 569,9 ton
Massa del propellente: 501,7 ton (~88% della
massa totale)
FIGURA 8. 2
Il propellente è costituito da perclorato di ammonio come ossidante, alluminio come combustibile, ossido di ferro
come catalizzatore e una gomma di PBAN che tiene legati i vari componenti e agisce anche da combustibile. Il
grano vicino all’ignitore ha una forma a stella a 11 punte, andando verso l’ugello diventa cilindrico con una sezione
trasversale circolare forata che si allarga piuttosto bruscamente per accogliere la parte anteriore dell'ugello. I due
grani del segmento centrale sono identici, cilindrici e perforati al centro, con inibizione sulle superfici anteriori per
controllare il modello di combustione.
Il grano dopo 55 secondi dal decollo ha una forma tale per cui la spinta del motore è ridotta di un terzo, questo
per prevenire l’eccessivo stress del velivolo durante il periodo di massima pressione dinamica. Dopo 123 s di volo,
quando lo Shuttle ha raggiunto un’altitudine di 50 km e una velocità di 5150 km/h, i 2 strap on sono sganciati e
quindi iniziano la fase di recupero. Durante la discesa degli strap on vengono usati una serie di paracaduti per far
decelerare il motore fino ad avere una velocità di impatto verticale con l’acqua di 96 km/h; dopo l’impatto, il
motore e il paracadute sono recuperati e riportati al sito di lancio. Per questo il motore e gli altri componenti
devono essere trattati per limitare la corrosione data dal sale e dall’acqua.
L'ugello è per il 20,4 % sommerso, orientabile e flessibile in qualsiasi direzione con un diametro di gola di 138,4
cm e un diametro di uscita di 375,9 cm; inoltre è costituito da parti in alluminio e in acciaio. L’ugello del motore è
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mobile per il controllo del vettore spinta; ogni motore incorpora una propria unità di potenza ausiliaria con un
sistema idraulico dotato di attuatori idraulici per manovrare l’ugello. L'ugello è progettato per fornire ampi margini
di sicurezza strutturale e termica durante il tempo di combustione di 2 minuti del booster dello Shuttle.
SLS Solid Rocket Booster
Lo Space Launch System è un sistema di lancio orbitale non riutilizzabile progettato dalla NASA e derivato dallo
Space Shuttle. Il gruppo motore ha cinque segmenti di propellente.
Caratteristiche tecniche:
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Lunghezza Booster: 177 feet
Diametro: 12 feet
Peso: 7117 kN ciascuno
Spinta: 16 014 kN ciascuno
Tempo di combustione: 126 s
Il sistema a 5 segmenti della SLS è il più grande
motore a propellente solido mai costruito.
Rispetto allo Space Shuttle usa boosters più
grandi e un segmento di propellente solido in
più rispetto, fornisce il 20% in più di spinta
media e il 24% in più di impulso totale ed è
ottimizzato per un uso singolo. I boosters SLS
utilizzano anche hardware trasferiti dal
programma Space Shuttle, comprese custodie
in acciaio e ogive.
FIGURA 8. 3
I 2 boosters sono legati al core stage e forniscono più del 75% della spinta totale per i primi 2 minuti di volo,
operando insieme ai 4 motori principali RS-25; inoltre provvedono al 90% del controllo della direzione della spinta
per i primi 2 minuti di volo. Ogni booster è alto 54.1 m, ha un diametro di 3.7 m e un peso di 800 ton quando
riempito di propellente solido.
Il
propellente usato nel SLS Block 1 booster (ovvero la configurazione usata nei primi lanci) è PBAN, composto da
perclorato di ammonio e polvere di alluminio; ogni booster brucia approssimativamente 5.5 tons di propellente
ogni secondo.
La progettazione del grano propellente, soprattutto la forma del foro, permette di avere una spinta massima di
16 014 kN per circa 25 secondi, scende a 12 455 kN di spinta quando arriva alla massima pressione dinamica, e
infine aumenta a 14 679 kN di spinta prima di iniziare a rallentare per circa 90 secondi.
Sulla rampa di lancio, i booster trasportano l’intero peso della SLS; dopo il lancio i booster operano per circa 2
minuti prima di separarsi dal core stage e ammarare nell’oceano Atlantico.
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Bibliografia e sitografia
LIBRI:
-
G.P. Sutton, O. Biblarz, Rocket Propulsion Elements, Wiley (2016)
C.D. Brown, Spacecraft Propulsion, AIAA (1996)
P.G. Hill, C.R. Peterson, Mechanics and Thermodynamics of Propulsion, Addison Wesley (1992)
ARTICOLI:
-
Zandeberg, B.T.C., Some Typical Solid Propellant Rocket Motors, Delft Faculty of Aerospace Engineering
(2013)
NASA’s SLS Program Office, SLS Reference Guide:
https://www.nasa.gov/exploration/systems/sls/reference_guide.html
ALTRE FONTI:
-
F. Nausti, D. Lentini, F. Gamma, Dispense del Corso di Propulsione Aerospaziale, a.a. 2011/2012
NASA: https://www.nasa.gov/
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