Indice
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I motori a perossido d’idrogeno
11.1 Generalità 1
1.2 Motivazioni all’utilizzo del perossido di idrogeno 4
1.2.1 Alta densità 5
1.2.2 Non tossicità 6
1.2.3 Immagazzinabilità 6
1.2.4 Non reattività con l’atmosfera 6 1.3 Utilizzo in passato del perossido di idrogeno 7 1.4 Descrizione del funzionamento del motore e dei parametri caratteristici 9 1.4.1 Parametri caratteristici 11 1.5 Il catalizzatore: tipologia e struttura 12
1.5.1 Catalisi omogenea 12
1.5.2 Catalisi eterogenea 12
1.5.2.1 Letti catalitici a sfere 13 1.5.2.2 Letti catalitici a schermi 13 1.5.2.3 Letti catalitici a canali 15 1.5.3 Materiali per letti catalitici 15 1.6 Il catalizzatore: caratterizzazione 16 1.6.1 Flusso di massa per unità di area (G) 16 1.6.2 Caduta di pressione (∆P) 17 1.6.3 Efficienza c* (ηc*) 17
1.6.4 Efficienza termica (
η
∆T) 181.7 Il catalizzatore: problematiche 18 1.8 Il catalizzatore: prospetto sintetico 20
2
Impianto di approvvigionamento del propellente: requisiti e
scelte progettuali
212.1 Requisiti 21
2.1.1 Requisiti di approvvigionamento endoreattore 21 2.1.2 Requisiti di sicurezza 23 2.1.3 Requisiti di trasportabilità 24
2.2 Scelte progettuali 26 2.2.1 Regolazione della portata 26 2.2.2 Capacità e pressione del serbatoio 27
2.3 Progettazione concettuale 30 2.3.1 La linea dell’H2O2 30 2.3.2 La linea dell’azoto 31
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Componenti dell’impianto
33 3.1 Il serbatoio 33 3.1.1 Presa strumenti 34 3.1.2 Flange di riduzione 35 3.1.3 Croce e T 35 3.1.4 Flangia cieca 36 3.2 Condotti e raccordi 37 3.2.1 Linea H2O2 37 3.2.2 Linea azoto 393.3 Regolatori di pressione e manometri 40
3.4 Disco a rottura 41
3.5 Filtri 41
3.6 Valvola di sparo 42
3.7 Valvole a sfera 43
3.8 Venturi cavitante 45
3.9 Valvole di sfiato e di non ritorno 45
3.10 Flussimetro 46
3.11 Termocoppie 48
3.12 Trasduttori di pressione 49
3.13 Guarnizioni in PTFE 50
3.14 Celle di carico 50
3.15 Pannello di controllo delle valvole 51
3.16 Alimentazione 51
4
Assemblaggio e calibrazione dell’impianto di prova
534.1 Assemblaggio dell’impianto di approvvigionamento del propellente 53
4.1.1 Serbatoio 56
4.1.3 Condotto di alimentazione 60 4.1.4 Sezione venturi cavitante 62
4.1.4.1 Venturi 62
4.1.4.2 Trasduttore differenziale di pressione 63
4.1.5 Sezione flussimetro 65
4.1.6 Sezione finale 67
4.1.7 Collegamenti pneumatici 68 4.1.7.1 Unità di controllo dell’azoto 69
4.2 Il banco prova 70
4.3 Calibrazione strumenti 74
4.3.1 Calibrazione dei venturi cavitante 74 4.3.2 Calibrazione celle di carico 79 4.3.2.1 Cella di carico 1000 g 81 4.3.2.2 Cella di carico 10 lb 83
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Conclusioni
85Indice delle figure
Figura 1.1 Schema endoreattore monopropellente 2 Figura 1.2 Turbopompe dei motori SSME dello shuttle 2 Figura 1.3 Schema endoreattore propellente solido 3 Figura 1.4 Schema endoreattore ibrido 3 Figura 1.5 Formula di struttura e modello molecolare dell’idrazina 4 Figura 1.6 Formula di struttura e modello molecolare del perossido di idrogeno 4 Figura 1.7 Andamento della densità del perossido di idrogeno in funzione della
concentrazione 5
Figura 1.8 Motore razzo V2 7
Figura 1.9 Razzo test Black Knight 7 Figura 1.10 Velivolo sperimentale X1 8 Figura 1.11 Velivolo sperimentale X15 8
Figura 1.12 Veicolo LLRV 9
Figura 1.13 Schema di endoreattore monopropellente 10 Figura 1.14 Sferette in platino per catalizzatore 14 Figura 1.15 A sinistra griglie di vari materiali (Rodio, Palladio, Platino, Oro e
Argento), a destra una pila di griglie impacchettate a formare un letto
catalitico 14
Figura 1.16 Velivolo spaziale Centaur 14 Figura 1.17 Letto catalitico a canali 15
Figura 2.1 Schema sistema riempimento serbatoio 24 Figura 2.2 Principali parti della struttura di alloggiamento dell’impianto 25 Figura 2.3 Spazi interni e griglia del cubo 25 Figura 2.4 Ingombri e dimensioni della griglia 25 Figura 2.5 Calibrazione venturi con acqua 27 Figura 2.6 Grafico pressione in camera di combustione e portata in funzione della
pressione interna del serbatoio (motore da 5 N, concentrazione H2O2
87,5%, venturi diametro 263 µm) 29 Figura 2.7 Grafico pressione in camera di combustione e portata in funzione della
pressione interna del serbatoio (motore 25 N, concentrazione H2O2
87,5%, venturi diametro 588 µm) 29 Figura 2.8 Schema dell’impianto di approvvigionamento del propellente 30
Figura 3.1 A sinistra tubo 304L rivestito in PTFE, a destra lo stesso tubo disegnato
in ProE 31
Figura 3.2 A sinistra presa per strumenti, a destra presa per strumenti disegnata in
ProE 35
Figura 3.3 A sinistra flangia di riduzione, a destra flangia di riduzione in ProE 35 Figura 3.4 Disegni in ProE. A sinistra T flangiato, a destra croce flangiata 36 Figura 3.5 5 A sinistra T flangiato, a destra croce flangiata 36 Figura 3.6 A sinistra flangia cieca, a destra flangia cieca in ProE 36 Figura 3.7 Raccordo a tenuta frontale VCR 37 Figura 3.8 Tubi flessibili VCR rivestiti in PTFE 38 Figura 3.9 Flangia codolo saldati 38 Figura 3.10 A sinistra VCR smontato, a destra VCR serrato 39 Figura 3.11 Tubo flessibile per le linee a bassa pressione dell’azoto 39 Figura 3.12 Tubo in acciaio per la linea ad altra pressione dell’azoto 40 Figura 3.13 Schema del regolatore di pressione 40
Figura 3.14 Manometri 41
Figura 3.15 Disco a rottura 41
Figura 3.16 Filtri Ham-Let 42
Figura 3.17 Valvola di sparo ERA-SIB 42 Figura 3.18 Foro di sfiato nella valvola a sfera 43 Figura 3.19 Valvola a sfera Swagelok. A sinistra dal catalogo Swagelok, a destra
disegno in ProE 44
Figura 3.20 A sinistra valvola Conbraco, a destra schema di funzionamento attuatore 44
Figura 3.21 Venturi cavitante 45
Figura 3.22 Valvola di non ritorno completamente saldata 45 Figura 3.23 Valvola di non ritorno regolabile (valvola CA) 46 Figura 3.24 Valvola di non ritorno HAM-LET 46 Figura 3.25 Flussimetro Optimass 7100 47 Figura 3.26 Termocoppia serbatoio alloggiata nella sua presa strumenti 48 Figura 3.27 Esempio di termocoppia K 48 Figura 3.28 Trasduttore di pressione assoluto Swagelok. A destra trasduttore di
pressione assoluto Kulite 49 Figura 3.29 Trasduttore differenziale 49 Figura 3.30 Guarnizione in PTFE per collegamenti flangiati 50 Figura 3.31 Pannello di controllo per le valvole 51
Figura 4.1 Vista d’insieme in ProE dell’impianto di approvvigionamento 54 Figura 4.2 Vista posteriore dell’impianto di approvvigionamento 55 Figura 4.3 Congiunzione per lo scarico 55 Figura 4.4 Rappresentazione in ProE del serbatoio assemblato 56 Figura 4.5 Serbatoio montato nel cubo struttura 57 Figura 4.6 Vista posteriore del tubo del serbatoio 58 Figura 4.7 Staffe di fissaggio per le valvole a sfera Conbraco del serbatoio 58 Figura 4.8 Disegno in ProE del sistema di sicurezza 59 Figura 4.9 Valvola Conbraco staffata. A sinistra vista frontale, a destra vista
posteriore 60
Figura 4.10 Disegno al ProE del condotto di alimentazione 61 Figura 4.11 Schema del tracciato del perossido di idrogeno 61 Figura 4.12 Raffigurazione in ProE Venturi cavitante flangiato 62 Figura 4.13 Supporto Venturi cavitante 63 Figura 4.14 Zona trasduttore differenziale di pressione 64 Figura 4.15 Piastra supporto trasduttore e flussimetro 64 Figura 4.16 Travi di supporto per la piastra 65 Figura 4.17 Progetto staffe fissaggio del flussimetro 66 Figura 4.18 Disegno in ProE del settore flussimetro 66 Figura 4.19 Disegni in ProE sezione finale 67 Figura 4.20 Sezione finale fissata sulla griglia nel “cubo” 68 Figura 4.21 Connessione Swagelok flessibile NPT da ¼” 68 Figura 4.22 Linea pneumatica dell’impianto di approvvigionamento 69 Figura 4.23 Unità di controllo dell’azoto montato sulla bombola di azoto 70 Figura 4.24 Schema concettuale del banco prova 71
Figura 4.25 Flexure completa 72
Figura 4.26 Banco prova con staffe di sostegno 72 Figura 4.27 Piastra di interfaccia e trave di sostegno 73 Figura 4.28 Banco prova montato 73 Figura 4.29 Schema riassuntivo del banco prova completo 74 Figura 4.30 Curva di cavitazione teorica con acqua per venturi D*=263 m 76 Figura 4.31 Curva di cavitazione ottenuta sperimentalmente per venturi motore 5N 77 Figura 4.32 Curva di cavitazione teorica con acqua per venturi D*=588 m 78 Figura 4.33 Curva di cavitazione ottenuta sperimentalmente per venturi D*=588 m 79 Figura 4.34 Disegni della staffa verticale per sorreggere la puleggia 80 Figura 4.35 Dettaglio del sistema di calibrazione 81
Figura 4.36 Grafico della curva di calibrazione per la cella di carico da 1000 g 82 Figura 4.37 Grafico della curva di calibrazione per la cella di carico da 10lb 84
Figura 5.1 Vista dell’impianto prova completo 86 Figura 5.2 Disegno in ProE dell’impianto di approvvigionamento 87 Figura 5.3 Impianto di approvvigionamento 87 Figura 5.4 Vista posteriore della struttura 88 Figura 5.5 Dettaglio della vista posteriore 88
Figura 5.6 Banco prova 89
Indice delle tabelle
Tabella 1.1 Densità di alcuni propellenti 5 Tabella 1.2 Caratteristiche monopropellente H2O2 11
Tabella 1.3 Specifiche motori 11
Tabella 1.4 Parametri tipici dei catalizzatori 20
Tabella 2.1 Tabella riassuntiva caratterizzazioni dei motori 22
Tabella 3.1 Tabella dati caratteristici del flussimetro 47 Tabella 3.2 Caratteristiche delle celle di carico 50 Tabella 3.3 Tabella riassuntiva alimentazione componenti 52
Tabella 4.1 Risultati calibrazione venturi per motore da 5 N 75 Tabella 4.2 Risultati calibrazione venturi per motore da 25 N 77 Tabella 4.3 Elenco dei carichi utilizzati nella calibrazione 81 Tabella 4.4 Prova di carico effettuata sulla cella di carico da 1000 g 82 Tabella 4.5 Elenco dei carichi utilizzati nella calibrazione 83 Tabella 4.6 Prova di carico effettuata sulla cella di carico da 10 lb 83
