i
INDICE
1. Introduzione...1
1.1. Obiettivi e organizzazione della tesi ... 1
1.2. I razzi a propellenti liquidi ... 2
1.3. I propellenti “verdi” ... 3
1.4. Propulsori a perossido d’idrogeno e cherosene o derivati ... 4
1.5. Propulsori a perossido d’idrogeno come monopropellente... 8
Bibliogafia. ...9
2. I propellenti...11
2.1. Il perossido d’idrogeno ... 11
2.1.1. Proprietà del perossido d’idrogeno ... 11
2.1.2. Rischi e sicurezza ... 12
2.1.3. Storia del perossido d’idrogeno ... 16
2.1.4. Vantaggi del perossido d’idrogeno ... 17
2.2. L’idrogeno come combustibile ... 20
2.2.1. Proprietà dell’idrogeno...20
2.2.2. Applicazioni dell’idrogeno come propellente ... 24
2.2.3. Il combustibile utilizzato per il progetto...26
Bibliografia ...27
3 Studio concettuale del propulsore ... 29
3.1. Specifiche di progetto ... 30
3.2. Progetto del sistema d’iniezione e della camera di miscelamento ... 31
3.2.1. Tipi di iniettori ... 31
3.2.1.1. Organizzazione degli iniettori...32
3.2.1.2. Geometria del singolo iniettore...33
3.2.1.3 Condotti di distribuzione...34
ii
3.2.3. Analisi comparativa fra tre possibili soluzioni ... 41
3.3. Dimensionamento dell’ugello e calcolo delle prestazioni...45
3.3.1. Temperatura di combustione ... 45
3.3.2. Modello gasdinamico di flussi con particelle solide e dimensionamento dell’ugello...47
3.3.3. Calcolo delle prestazioni ... 50
3.4. Proprietà e stabilità di fiamma ... 53
3.4.1. Ritorno di fiamma (flashback) ... 54
3.4.1.1. Velocità di fiamma laminare...54
3.4.1.2. Velocità di fiamma turbolenta...55
3.4.1.3. Il riduttore di sezione...56
3.4.2. Stabilità di fiamma ... 56
3.5. Dispositivo di accensione ... 57
3.6. Reattore del perossido d’idrogeno ... 59
Bibliografia ... 60
4. Accensione e combustione ...62
4.1. Velocità di fiamma laminare ... 62
4.1.1. Teoria di mallard e le chatelier...65
4.1.2. Teoria di semenov, zel’dovich e frank-kamenetskii...67
4.1.3. Modello di tanford e pease...68
4.1.4. Misura sperimentale della velocità di fiamma...68
4.2. Velocità di fiamma turbolenta ... 70
4.3. Stabilizzazione di fiamma con corpo tozzo ... 71
4.3.1. Modello di ballald e lefebrve...74
4.3.2. Modello della velocità di estinzione...75
4.4. Infiammabilità ... 75
4.4.1. Effetto dei diluenti ... 76
4.4.2. Effetto della pressione e della temperatura ... 77
Bibliografia...77
5. Analisi computazionale del miscelamento ed espansione in ugello ...79
iii
5.1.1. Struttura del codice ... 80
5.1.2. Metodologia di calcolo ... 81
5.1.3. Griglia di calcolo ... 82
5.1.3.1. Topologia della griglia ... 82
5.1.3.2. Elementi utilizzati ... 82
5.1.3.3. Generazione della griglia ... 83
5.1.4. Equazioni differenziali e loro discretizzazione ... 83
5.1.5. Modellazione della turbolenza ... 87
5.2. Analisi del miscelamento dei gas ... 88
5.2.1. Scopo dell’analisi sul miscelamento ... 88
5.2.2. Scelta della configurazione ... 91
5.2.2.2. Griglie di calcolo... 95
5.2.2.3. Risultati ... 98
5.2.3. Indagine sul parametro Lm ... 101
5.2.3.1. Dominio di calcolo ... 101
5.2.3.2. Risultati ... 101
5.2.4. Indagine sull’ effetto della pressione in camera e sull’autosostenimento della fiamma ... 103
5.2.5. Conclusioni sul miscelamento... 104
5.3. Analisi dell’espansione dei propellenti in ugello ... 104
5.4. Validazione del modello ... 107
5.4.1. Il caso sperimentale ... 107
5.4.2. Modelli e tecniche utilizzati ... 110
5.4.3. Risultati della validazione ... 111
Bibliografia ... 115
6. Prova preliminare d’accensione ... 116
6.1. Progetto dell’esperimento ... 116
6.1.1. Condizioni di similitudine...116
6.1.2. Accensione... 120
6.2. Scelta dei componenti ... 121
iv
6.3.1. Controllo della portata...122
6.3.2. Descrizione dell’impianto...125
6.4. Sicurezza ... 130
6.4.1. Utilizzo dell’idrogeno...130
6.4.2. Prove di tenuta...132
6.4.3. Procedure...135
6.5. Risultati delle prove preliminari d’accensione ... 137
6.5.1. Accensione...137
6.5.2. Autosostentamento della fiamma...139
6.5.3. Corretto funzionamento dei trasduttori e dei segnali elettrici...139
Bibliografia ... 145
7. Conclusioni ... 146
Bibliografia ... 149
Appendice A programmi matlab per i calcoli effettuati ... 150
Programma per il calcolo della temperatura in camera(senza particelle) ... 150
Programma per il dimensionamento preliminare degli iniettori ... 153
Programma per il dimensionamento preliminare dell’ugello di espansione ... 155
Appendice B Schede di sicurezza... 161
Scheda di sicurezza del perossido d’idrogeno...161
Scheda di sicurezza dell’idrogeno gassoso ... 169
Appendice C Schede swagelok delle valvole micrometriche e grafici dei segnali delle rpove d’accensione ... 177
v
INDICE DELLE FIGURE
1-1 Classificazione dei razzi a propellenti chimici...2
1-2 Propulsore sviluppato da General kinetics... 6
1-3 Propulsore da 40 N sviluppato dall’Università del Surrey...6
1-4 Propulsore perossido/cherosene della Purdue University...7
1-5 Disegno del prototipo sviluppato da Kaiser Marquardt... 8
1-6 Tipico motore monopropellente ad H2O2...9
2-1 Molecola di perossido d’idrogeno...11
2-2 Calore specifico del perossido al variare del titolo...13
2-3 Densità di vari propellenti per la propulsione a razzo...13
2-4 Pressione di vapore di vari propellenti per propulsione a razzo...14
2-5 Viscosità del perossido d’idrogeno...14
2-6 Un Heinkel He 176 sul banco di prova...16
2-7 confronto tra l’impulso specifico volumetrico di diverse combinazioni propulsive, rapporto d’espansione: 20; Pressione in camera: 37 atm...19
2-8 Rappresentazione della molecola di idrogeno gassoso...21
2-9 Proprietà dell’idrogeno gassoso a temperatura ambiente (293 K)...21
2-10 Calore specifico a pressione costante dell’idrogeno al variare della temperatura ...22
2-11 Zone d’infiammabilità di vari combustibili in aria...25
2-12 Confronto delle prestazioni propulsive di varie combinazioni di propellenti per la propulsione spaziale. Pressione in camera di combustione a 69 atm; espansione dell’ugello ottimale (1 atm); combustione adiabatica; espansione isentropica; gas ideale...25
3-1 Configurazione definitiva del motore, denominazione delle sezioni...29
3-2 Tipologie d’iniettori di propulsori a propellenti liquidi... ...34
3-3 configurazioni convenzionali del sistema di distribuzione dei propellenti...35
3-4 Rappresentazione dell’iniettore...37
3-5 Diametro degli iniettori dell’ossidante e combustibile al variare del rapporto di pressione dell’ossidante con un solo iniettore per propellente...39
3-6 Diametro degli iniettori dell’ossidante e combustibile al variare del rapporto di pressione dell’ossidante con tre iniettori per propellente...40
vi
3-7 Diametro degli iniettori dell’ossidante e combustibile al variare del numero degli
iniettori per ciascun propellente, per DpOX=1,05...40
3-8 Diametro degli iniettori dell’ossidante e combustibile al variare del numero degli iniettori per ciascun propellente, per DpOX=1,1...41
3-9 Vista 3D della prima configurazione, del disco di iniezione e concetto di iniettore a getti incidenti alternati...42
3-10 Vista 3D della seconda configurazione e della flangia del combustibile...43
3-11 Vista 3D della terza configurazione e vista in sezione della flangia del combustibile...44
3-12 Diametri di gola (Dts) e di uscita (Des) dell’ugello al variare della lunghezza di questo (xe ed xt), per tre diverse velocità assunte delle particelle solide...51
3-13 Numero di Mach dei gas all’uscita dell’ugello al variare della lunghezza di questo, per tre diverse velocità delle particelle. ...52
3-14 Velocità di fiamma laminare al variare di Φ e della pressione calcolata col modello FKS...55
3-15 Velocità di fiamma turbolenta al variare di Φ...56
3-16 Vista 3D del Riduttore di sezione e del suo posizionamento...57
3-17 Schema della stabilizzazione mediante corpo tozzo...57
3-18 Disegno della candela a scintilla elettrostatica utilizzata...58
3-19 Candela a scintilla utilizzata nel propulsore...58
3-20 Minima energia di accensione per scintilla elettrostatica dell’idrogeno in aria al variare della concentrazione e per varie lunghezze di scintilla...59
3-21 Reattore per la decomposizione del perossido d’idrogeno...60
4-1 Famiglia di soluzioni della relazione di Hugoniot...64
4-2 Modello Mallard-Le Chatelier...65
4-3 Andamento della velocità di una fiamma sferica in funzione del raggio della sfera. ...69
4-4 Influenza del diametro dello stabilizzatore di fiamma sul limite di estinzione inferiore. ...73
vii
4-5 influenza della velocità della miscela fresca sul limite di estinzione inferiore...73
4-6 Influenza della temperatura della miscela fresca sul limite di estinzione inferiore. ...74
4-7 Effetto di vari diluenti sui limiti di infiammabilità del metano...77
5-1 Schema del lavoro di analisi computazionale...80
5-2 Faccia di un elemento di volume tetraedrico...86
5-3 Le tre configurazioni della camera di miscelamento, evidenziate in giallo. In rosso la dimensione Lm...90
5-4 dominio di calcolo per la prima configurazione...91
5-5 Domini di calcolo ausiliari dei condotti d’iniezione...92
5-6 Dominio fluido della simulazione per la configurazione n° 2...93
5-7 Dominio fluido della configurazione 3 con Lm=38 mm...94
5-8 Griglia di calcolo della prima configurazione...95
5-9 Griglia per la seconda configurazione...97
5-10 Griglia della configurazione n° 3...98
5-11 Frazione di volume dell’idrogeno alla sezione di sbocco per la configurazione n°1...99
5-12 Frazione di volume dell’idrogeno alla sezione di sbocco per la configurazione n°2...99
5-13 Frazione di volume dell’idrogeno alla sezione di sbocco per la configurazione n°3. ...100
5-14 Dominio di calcolo per la simulazione con Lm = 50 mm...101
5-15 Frazione di volume dell’idrogeno alla sezione di sbocco per la configurazione n°3, pc=9,1 bar e Lm=50mm...102
5-16 Andamento assiale della frazione di volume del combustibile...102
5-17 Frazione di volume dell’idrogeno alla sezione di sbocco per la configurazione n°3, pc=15 bar e Lm=50mm...103
5-18 Dominio fluido per la simulazione della camera di combustione e dell’ugello, il dominio è un settore tangenziale di 90° della camera...105
5-19 Griglia per la simulazione della camera di combustione e dell’ugello...106
5-20 Apparato della campagna sperimentale di riferimento per la validazione...109
5-21 Volume di controllo e griglia dell’analisi per la validazione...110
5-22 Frazione di massa dell’idrogeno sull’asse di simmetria, varie prove sperimentali. Quelle validate sono la n°5 e la n°6...112
5-23 Frazione di massa dell’idrogeno sull’asse di simmetria, simulazione esperimento n°5...112
viii
5-24 Frazione di massa dell’idrogeno sull’asse di simmetria, simulazione esperimento
n°6...113
5-25 Velocità adimensionalizzata della miscela di gas sull’asse di simmetria, varie prove sperimentali...113
5-26 Velocità adimensionalizzata sull’asse, caso n° 5...114
5-27 Velocità adimensionalizzata sull’asse caso n° 6...114
6-13 Configurazione del motore per l’esperimento montata sul banco di prova...119
6-14 Fascia d’infiammabilità dell’H2 in aria al variare della temperatura...120
6-15 Termocoppia dopo l’avvenuta accensione...121
6-16 Valvola micrometrica Swagelok® serie S;M;L...122
6-17 Relazione di corrispondenza tra il numero di giri delle valvole micrometriche ed i relativi Cv, sono indicati i punti operativi...124
6-18 Formula di corrispondenza tra il coefficiente di flusso e la portata volumetrica standard...125
6-19 Linea dell’aria...126
6-20 Linea dell’idrogeno...128
6-21 smistamento dell’azoto...128
6-22 Schema dell’impianto sperimentale di prova d’accensione...129
6-23 Volumi di controllo di riferimento per le perdite...132
6-12 Macchinario per il test con elio...133
6-24 Prova con elio, è visibile la sonda, con la quale si cercano le perdite...134
6-25 Prova con sapone e acqua. Pressurizzazione dall’esterno...134
6-26 Prova con sapone e acqua. La perdita ha origine dalla candela...135
6-27 Fase di combustione. La fiamma è invisibile ma si rivela tramite l’incandescenza della termocoppia...139
6-17 Segnali relativi alla quarta prova di accensione, parte 1...140
6-18 Segnali relativi alla quarta prova di accensione. Parte 2...141
6-28 Stato logico nel tempo della scintilla della candela d’ignizione e delle valvole pneumatiche d’attuazione...142
6-20 Temperatura in camera di combustione test e pressione nella linea dell’idrogeno. La pressione in corrispondenza dei picchi di temperatura è quella effettiva di funzionamento...143
6-29 Andamento della temperatura in camera di combustione comparato con la presenza di scintille d’accensione...144
ix
INDICE DELLE TABELLE
1-1 Caratteristiche di alcuni propulsori ad HTP di “prima generazione”...5
1-2 Caratteristiche del monopropellente di Alta s.p.a...9
2-1 Proprietà del perossido utilizzato...12
2-2 Rischi del perossido d’idrogeno...15
2-3 Rischi delle idrazine...15
2-4 vantaggi del perossido d’idrogeno...18
2-5 Poteri calorifici di vari combustibili...24
2-6 Composizione della fase gassosa del combustibile...27
3-1 Condizioni di funzionamento dei 4 punti operativi... 30
3-2 Impulso specifico, spinta e temperatura di combustione nei quattro punti operativi... 53
3-3Parametri calcolati con lo studio concettuale in condizione di disegno. A=miscela accesa, N.A.=miscela non accesa...53
3-4Caratteristiche principali del catalizzatore utilizzato...59
5-1 Statistiche della griglia 1...96
5-2 Statistiche della griglia 2...96
5-3 Statistiche della griglia 3...97
5-4 Ampiezza degli intervalli di frazione di volume...98
5-5 Caratteristiche della griglia per la simulazione dell’ugello...106
5-6 Dati relativi alle due prove di validazione...110
x
LISTA DEI SIMBOLI
impulso specificoimpulso specifico volumetrico portata volumetrica
accelerazione di gravità a terra portata di massa
portata molare
A area della sezione di uscita dell’iniettore
a aria
ab accelerazione di galleggiamento
Bg rapporto tra la sezione dello stabilizzatore e quella del condotto CD coefficiente di resistenza
Cp calore specifico
Cr concentrazione dei reagenti nella miscela Cv coefficiente di flusso di una valvola
d di progetto
D diametro
Dp Rapporto tra la pressione a monte e a valle dell’iniettore Dρ diffusività di massa
E energia d’attivazione della reazione exp condizioni di esperimento
f forza agente sulla singola particella
F spinta
FVF frazione di volume del combustibile nella miscela FVF,i frazione di volume ideale del combustibile nella miscela Gg peso specifico relativo all’aria
hfi° entalpia standard di formazione della i-esima specie chimica k energia cinetica turbolenta
Kn costante d’equilibrio della reazione n-esima
L perdita
Le numero di Lewis
Lm lunghezza della parte anulare cilindrica della camera
M numero di Mach
xi N numero di iniettori
n numero di particelle per unità di volume
Ni numero di moli (o portata molare) della i-esima specie chimica p pressione
q calore per unità di massa R costante del gas specifico
r raggio
Re numero di Reynolds
RR grado di reazione (reaction rate) Ru costante universale dei gas SE sorgente di entalpia
SL velocità di fiamma laminare SM sorgente di quantità di moto SU velocità di fiamma turbolenta
T temperatura
u velocità
u’RMS radice della media dei quadrati delle componenti fluttuanti della velocità ur velocità di fiamma sferica
ux velocità di fiamma piana
VBO velocità limite per l’estinzione della fiamma x coordinata assiale
x1 coordinata del punto iniziale d’integrazione xi frazione molare
x/D coordinata adimensionalizzata dell’esperimento
x/D|0 coordinata adimensionalizzata limite
LETTERE GRECHE α diffusività termica
γ rapporto tra i calori specifici a pressione e volume costante δ spessore della regione di conduzione
ΔQ calore scambiato ε dissipazione turbolenta
λ parametro d’avanzamento della reazione λt conduxibilità termica
xii
ρ densità
τ tempo di reazione
υi coefficiente stechiometrico della i-esima specie chimica
Φ rapporto di miscelamento
φ frazione massica ossidante/combustibile ΦER rapporto d’equivalenza
ΦU velocità adimensionalizzata ΦWE rapporto d’equivalenza limite
PEDICI
F combustibile (fuel) OX ossidante
c stazione camera di combustione e stazione uscita dall’ugello
t proprietà totale, o stazione gola dell’ugello s particelle solide
G miscela di gas
GS interazione gas-particelle p particella solida
l stazione camera di miscelamento m stazione riduttore di area
xiii
ACRONIMI
ADN Ammonium Dimitramide, propellente solido ATEX Atmospheres ExplosivesCAD Computer Aided Desing
CFD Computational fluid Dynamics
FKS Frank-Kamenetsky Semenov
GPRTF Green Propellant Rocket Test Facility HHV Higher Heating Value
HNF Hydrazine NitroFormiate
HP Hydrogen Peroxide
HTP High Test Hydrogen peroxide JP-8 Jet Propellant 8
LEL Lower Explosive Limit LFL Lower Flammability Limit
LHV Lower Heating Value
LOX Liquid OXigen
MMH Mono Methil Hydrazine
NTO dinitrogen tetroxide
RANS Reynolds Averaged Navier Stokes RP-1 rocket propellant 1
SEM Scanning Electron Microscope SSME Space Shuttle Main Engine
UDMH Unisymmetrical Dymethil Hydrazine UEL Upper Explosive Limit
