Anno: 5 Periodo:2 Lezioni, esercitazioni, laboratori: 6+2 (ore settimanali) Docente: Fulvia Quagliotti (collab.: Giorgio Guglieri)
Il corso ha per oggetto l'applicazione dello studio della dinamica del corpo rigido al volo atmosferico ed extra-atmosferico. Definiti i principali sistemi di riferimento utilizzati nella dinamica del volo, le equazioni cardinali della meccanica vengono scritte per ciascuno di essi, sia in forma vettori aie che scalare. Si richiamano le ipotesi di Iinearizzazione delle equazioni del moto e viene trattata la modellizzazione matematica non lineare dei carichi aerodinamici.
Si introduce il concetto di derivata aerodinamica e la definizione dei parametri di stabilità. Si definiscono le equazioni complete del moto in forma dimensionale e non dimensionale. Si studiano le caratteristiche di stabilità degli aeromobili e dei corpi fusiformi, estese alle condizioni di volo ad alta incidenza. Si analizzano le principali forme di instabilità, con particolare riguardo a quelle tipiche del volo ad alta incidenza.
REQUISITI
Meccanica del volo, Meccanica applicata.
PROGRAMMA
Sistemi di riferimento e trasformazioni.
Equazioni del moto di un corpo rigido nei diversi sistemi di riferimento.
Elementi di balistica: studio delle traiettorie ed equazioni fondamentali.
Stabilizzazione delle traiettorie: giroscopica, aerodinamica ed automatica.
Specializzazione delle equazioni del moto per lo studio della dinamica del velivolo.
f'1oto longitudinale e latero-direzionale a bassi angoli di incidenza.
Dinamica del volo ad alti angoli di incidenza.
Studio delle caratteristiche di manovrabilità ed agilità.
Sistemi di controllo: richiami sulla trasformata di Laplace, risposta indici aIe ed impulsiva, funzioni di trasferimento e risposta in frequenza, poli e zeri del sistema, risposta al comando (open loop), generalità sui sistemi di controllo lineari (c1osed loop), applicazione dei controlli con retroazione (autopilota).
Interfaccia uomo-macchina.
esame e critica della normativa vigente con particolare riferimento alle qualità di volo.
Metodi sperimentali per la determinazione dei parametri di stabilità in galleria del vento.
BIBLIOGRAFIA
B. Etkin, Dynamics of fUght: stabiUty and contrai, Wiley.
H. Ashley,Engineering analysis of flight vehicles, Addison Wesley.
B. McCormick,Aerodynamics, aeronautics and flight mechanics,Wiley.
L. Mangiacasale, Meccanica del volo atmosferico,Levrotto& Bella.
81800 Endoreattori
Anno: 5 Periodo:2 Docente:da nominare
Lezioni, esercitazioni, laboratori: 6+2 (ore settimanali)
Il corso descrive gli endoreattori chimici, attualmente di predominante importanza.
Inuna prima parte del corso sono trattati i principi fisici comuni ai diversi tipi di endoreattori chimici, quali la termochimica in camera di combustione, l'espansione nell'ugello ed il problema del raffreddamento.
In una seconda parte del corso si analizzano in dettaglio i diversi tipi di endoreattori (a propellenti liquidi, solidi ed ibridi): sono descritti i propellenti di comune impiego, il processo di combustione, i vari componenti, le peculiarità del sistema, studiandone le prestazioni per evidenziare le rispettive possibilità di impiego in campo spazi aIe. Vengono inoltre descritti alcuni propulsori esistenti.
REQUISITI
Sono presupposte conoscenze di base nel campo delle macchine a fluido e della meccanica dei fluidi, fornite nei corsi di Macchine, AerodinamicaeGasdinamica; sono inoltre utili nozioni acquisibili nei corsi di Motori per AeromobiliePropulsione Aerospaziale.
PROGRAMMA I.Introduzione [4 ore]
Classificazione degli endoreattori. Definizioni di prestazioni di comune impiego in razzotecnica. Descrizione dei sistemi propulsivi dello Space Shuttle.
2. Prestazioni ideali[6 ore]
Modello di endoreattore ideale. Termochimica dei propellenti: calcolo delle condizioni in camera di combustione. Espansione dei gas combusti: composizione congelata, composizione in equilibrio composizione reale e modelli approssimati. Coefficente di spinta. Prestazioni al variare del rapporto di miscela. Impulso specifico per densità. Tempo di permanenza in camera di combustione e lunghezza caratteristica.
3. Prestazioni reali[6 ore]
Fattori di correzione. Presenza di particelle solide/liquide nei gas di scarico. Urto di condensazione. Effetti dello strato limite. Effetto della diabaticità. Effetti della pressione ambiente e scelta del rapporto di espansione. Geometria dell'ugello: ugello ideale, ugello conièo, ugello a
campana, ugelli anulari.
4. Trasmissione del calore[8 ore]
Aspetti peculiari della trasmissione del calore negli endoreattori: conduzione, irraggiamento, convezione forzata gas/parete e parete/liquido refrigerante. Boil off. Metodi di raffreddamento attivi e passivi. Raffreddamento a ciclo rigenerativo: bilancio locale e globale, qualità desiderabili di propellente per il suo impiego come refrigerante, influenza della pressione in camera di combustione, della spinta e del rapporto di miscela; realizzazioni del sistema.
Materiali ablativi e refrattari.
5. Endoreattori a propellenti liquidi - parte I[14 ore]
Propellenti liquidi: criteri di scelta del propellente, prestazioni e caratteristiche chimico/fisiche dei propellenti di comune impiego. Serbatoi; espulsione del propellente in
condizioni di microgravità o con accelerazioni avverse [settling e propellant management).
Sistemi di alimentazione mediante gas pressurizzante (gas compresso, evaporazione del propellente, gas generato tramite reazione chimica). Sistema di alimentazione tramite turbopompe: cicli aperti e cicli chiusi, pompe assiali/centrifughe, problemi di cavitazione, turbine, accoppiamento pompa/turbina.
6. Endoreattori a propellenti liquidi - parte Il[14 ore]
Processo di combustione di propellenti liquidi. Instabilità di combustione: tipi principali di instabilità, analisi e rimedi. Sistema di iniezione: tipi di iniettore, criteri di progetto di un iniettore. Sistema di accensione. Camera di combustione: criteri di scelta di forma e dimensione.
7. Endoreattori a propellenti liquidi - parte III[6 ore]
Giunti; valvole; condotti. Calibrazione del sistema. Regolazione del modulo della spinta.
Orientamento della spinta. Descrizione di alcuni endoreattori a propellenti liquidi.
8. Endoreattori a propellenti solidi[8 ore]
Classificazione e caratteristiche dei propellenti solidi. Proprietà balistiche. Meccanismo di combustione. Instabilità di combustione. Accensione e spegnimento. Geometrie usuali del grano di propellente. Processi di produzione. Materiali e particolarità costruttive di involucri ed ugelli. Controllo della direzione della spinta. Descrizione di alcuni endoreattori a propellenti solidi.
9. Endoreattori a propellenti ibridi [4 ore]
Propellenti ed applicazioni. Processo di combustione. Configurazione del grano e prestazioni.
ESERCITAZIONI
In ciascuna esercitazione viene, di massima, affrontato un problema diverso. Tra i temi trattati: calcolo delle condizioni in camera di combustione; scelta del rapporto di miscela per razzo monostadio e staging del bistadio; prestazioni, dimensionamento e raffreddamento della camera di spinta degli endoreattori a propellenti liquidi per un lanciatore a tre stadi; il sistema di alimentazione dello SSME (Space Shuttle Main Engine); progetto di endoreattore a propellente solido; progetto di endoreattore a propellenti ibridi.
LABORATORIO
Rilievo dell'andamento della pressione in camera di combustione di piccolo endoreattore a propellente solido con ugello intercambiabile. Gli allievi vengono raggruppati in squadre di circa 15 unità.
BIBLIOGRAFIA Testo di riferimento
G.P. Sutton, Rocket Propulsion Elements ,6th ed., Wiley, 1992.
Testi ausiliari
I. K. Huzel, H. Huang, Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines, Progress in Astronautics and Astronautics, VoI. 147, AIAA, 1992.
2. Y.M. Timnat,Advanced Chemical Rocket Propulsion ,Academic Press, 1987.
ESAME
Prova orale sui contenuti teorici del corso e discussione delle esercitazioni svolte.