Tra questi propellenti, il perossido di idrogeno evidenzia alcune caratteristiche che lo rendono particolarmente attraente

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Introduzione

La tesi è consistita nel progetto concettuale di prototipi di endoreattori bipropellenti a perossido di idrogeno (HP) ed etano all’interno di Alta S.p.a., con particolare riguardo allo studio delle prestazioni di un singolo serbatoio contenente entrambi i propellenti atto, come vedremo, ad eliminare la necessità di inserire un sistema attivo di pressurizzazione. Nel seguito si riportano le motivazioni che hanno spinto alla realizzazione di questi prototipi e si esplicitano gli obiettivi del lavoro di tesi.

1.1. Il perossido di idrogeno come “propellente verde”

L’utilizzo di propellenti per la propulsione a razzo definiti “verdi” (green propellant), caratterizzati da una bassa tossicità e da una certa facilità nello stoccaggio, recentemente ha acquisito particolare auge per la possibilità di ridurre in modo sostanzioso i costi legati alla loro manipolazione, soprattutto nello sviluppo di motori con bassa o media spinta.

I propellenti “verdi”, infatti, hanno come principale vantaggio rispetto a propellenti più pericolosi, come ad esempio il tetrossido di azoto e l’idrazina, quello di semplificare in modo rilevante tutte le procedure di produzione, manipolazione e stoccaggio per quanto riguarda la sicurezza e l’incolumità del personale che se ne occupa.

Tra questi propellenti, il perossido di idrogeno evidenzia alcune caratteristiche che lo rendono particolarmente attraente. Può essere utilizzato sia come monopropellente, con impulsi specifici non particolarmente elevati, sia come comburente in razzi bipropellente (gli impulsi specifici in questo caso dipendono dal tipo di combustibile utilizzato e possono essere paragonabili agli impulsi specifici della coppia tetrossido di azoto e idrazina).

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idrogeno, il propellente solitamente viene decomposto in un catalizzatore. Questo elemento del motore determina il corretto funzionamento di tutto il sistema e per questo i principali sforzi tecnologici sono orientati alla realizzazione di letti catalitici in grado di garantire una vita operativa lunga e delle prestazioni efficienti e ripetibili. Nella decomposizione il perossido di idrogeno libera ossigeno che può essere quindi utilizzato per ossidare un carburante.

1.1.1. I vantaggi del perossido di idrogeno

Il perossido di idrogeno, utilizzato come monopropellente, cioè sfruttando direttamente i gas a temperatura intorno ai 900°C che si formano nella decomposizione catalitica, non spicca per le sue prestazioni ma presenta alcune caratteristiche che lo rendono particolarmente attraente come l’elevata densità, la immagazzinabilità e la bassa tossicità.

Confrontando, infatti, l’impulso specifico del perossido di idrogeno utilizzato come monopropellente con quello dell’idrazina (sostanza che può essere presa come utile termine di paragone date le sue elevate prestazioni come monopropellente immagazzinabile) si può notare come le prestazioni del perossido di idrogeno siano marcatamente inferiori (Figura 1.1). Questo svantaggio, però, può essere ampiamente compensato dalla riduzione dei costi nella sua gestione qualora lo scopo della missione sia maggiormente legato alla riduzione dei costi piuttosto che alla massimizzazione delle prestazioni.

Figura 1.1 Impulso specifico nel vuoto dell’idrazina e del perossido di idrogeno a varie concentrazioni in funzione del rapporto di espansione dell’ugello (Ventura & Muellens, 1999).

Come ossidante ha caratteristiche paragonabili agli altri comburenti liquidi (ad esempio tetrossido di azoto, acido nitrico e ossigeno liquido)(Figura 1.2). Nel caso particolare di utilizzo di propellenti immagazzinabili è utile evidenziare come l’impulso specifico della coppia HP-idrocarburi sia paragonabile con quello della coppia MMH/NTO (utile termine di paragone).

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Figura 1.2Impulso specifico nel vuoto in razzi bipropellenti: confronto tra il perossido di idrogeno a varie concentrazioni ed altri ossidanti in combinazione con vari combustibili (Ventura & Muellens,

1999).

Tetrossido di azoto (NTO) e idrazina (N2H4, MMH e UDMH) sono correntemente la scelta usuale come propellenti immagazzinabili per le loro prestazioni superiori. Valori tipici delle prestazioni di tali propellenti sono riassunte in Figure 1.3. L’idrazina però è estremamente tossica e cancerogena, presenta inoltre rischi di detonazione se esposta a variazioni ampie e veloci di pressione e temperatura dipendentemente dalle condizioni di contaminazione. Sistemi satellitari spinti ad idrazina devono quindi essere progettati con misure adeguate a prevenire tali rischi. Le operazioni a terra sono anch’esse soggette a procedure di sicurezza estremamente restrittive con specifiche infrastrutture (Figure 1.4 ) risultanti in costi piuttosto sostenuti.

Figure 1.3 Temperatura di fiamma (sinistra) e impulso specifico (destra) Vs rapporto di miscelamento per reazione adiabatica a 3.45 Mpa e espansione congelata a 13.8 kPa per NTO,N2O4,N2H4, ,

MMH, UDMH.

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Figure 1.4 Valutazione storica del costo del carburante Vs costo del payload per missioni spaziali.

Anche nei razzi ibridi le sue caratteristiche sono paragonabili agli altri ossidanti (Figura 1.5

Figura 1.5Impulso specifico nel vuoto in razzi ibridi: confronto tra il perossido di idrogeno ed altri ossidanti (Ventura & Muellens, 1999).

Il perossido di idrogeno ad alta concentrazione, però, data la sua elevata densità, presenta valori dell’impulso specifico volumetrico maggiori di tanti altri propellenti (Figura 1.6)

Figura 1.6 Impulso specifico volumetrico ideale per vari bipropellenti in funzione del rapporto di miscela ossidante/combustibile.

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Un elevato impulso specifico volumetrico significa una sostanziosa riduzione del volume dei serbatoi dell’ossidante e di conseguenza della massa secca del motore. Questo è particolarmente interessante nel caso in cui interessi la minimizzazione del volume o la riduzione delle forze aerodinamiche che si può ottenere attraverso una riduzione della sezione frontale del razzo dovuta all’utilizzo di serbatoi più piccoli.

Il perossido di idrogeno con opportuni accorgimenti può essere stoccato anche per lunghi periodi. A temperatura ambiente, 20 °C, è allo stato liquido e permane in esso per un ampio intervallo di temperature attorno ad essa. Non è quindi criogenico e ciò lo rende un’ottima scelta in missioni orbitali caratterizzate eventualmente anche da lunghi periodi di non utilizzo dei motori.

La gestione a terra del propellente è un altro punto a vantaggio del HP. Comunemente è considerato “non tossico” in quanto il contatto per inalazione con la sostanza è meno pericoloso di altri propellenti perché il perossido di idrogeno si decompone in sostanze non tossiche. Presenta una pressione di vapore molto bassa e questo riduce la quantità di vapore che può essere introdotta nel corpo umano per inalazione. Il corpo umano, inoltre, produce normalmente piccoli quantitativi di perossido di idrogeno ed è in grado di decomporlo attraverso enzimi in sostanze non pericolose (acqua ed ossigeno). Altri propellenti sono, come l’idrazina e i suoi derivati (MMH e UDMH), estremamente tossici, cancerogeni, pericolosi ed esplosivi o presentano indesiderate caratteristiche come il tetrossido di azoto che, data la sua elevata pressione di vapore, produce abbondanti fumi nocivi sia all’esposizione che all’inalazione.

Sempre dal punto di vista propulsivo, l’HP può essere utilizzato come fluido refrigerante in sistemi rigenerativi data la sua elevata capacità termica.

1.2. Le prestazioni del bipropellente H2O2-C2H6

Perossido di idrogeno e etano rappresentano una combinazione ideale di propellenti “verdi”

molto performanti (Moser, 1994, 1995 & 2001).

In particolare, l’etano, è un idrocarburo poco costoso, stabile e poco tossico con stato critico a 5.01 MPa e 305.9 K. A temperatura a ambiente (280 - 300 °K) la sua pressione di vapore è ideale per la pressurizzazione del propellente risultando in una pressione ottenibile in camera da 1 a 3 MPa con perdite nel sistema di alimentazioni stimabili nel 20-40% della pressione in camera.

Figure 1.7 Pressione di vapore e densità per etano in funzione della temperatura.

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Il perossido di idrogeno è immagazzinabile, poco tossico e possiede una alta densità (1440 kg/m3) e calore specifico (89.1 J/mole °K). Non reagisce con elementi e composti in atmosfera al contrario dell’idrazina che in contatto con biossido di carbonio forma composti che attaccano intensamente le pareti della camera di combustione. Il perossido di idrogeno non è ipergolico con etano , ma in contatto con opportuni catalizzatori (solitamente argento, platino, manganese o ossidi di manganese MnO2, Mn2O3) decompone esotermicamente in ossigeno e vapore caldi capaci di accendere e sostenere la combustione dell’etano. La Tabella 1.1 riporta le principali caratteristiche dell’idrazina, il perossido di idrogeno e l’etano, mentre la Tabella 1.2 descrive le caratteristiche e i vantaggi dell’uso del perossido di idrogeno come propellente.

Caratteristica Idrazina HP 90% Etano

Punto di congelamento, °C 1.5 -11.5 -183

Punto di ebollizione, °C 113.5 141.7 88.6

Gravità specifica 20°C, gm/ml

1 1.4 1.049

Temperatura di esplosione,

°C

232 149 472

Pressione di vapore a 20°C, kPa

1.4 0.3 3850

Stabilità a lungo termine Eccellente con gas inerti

Decompone

lentamente a formare ossigeno e acqua

Eccellente se evitata la filtrazione

Altre precauzioni Corrosivo, infiammabile, tossico

Deve essere

stabilizzato, corrosivo

Infiammabile ed esplosivo con aria

Tabella 1.1:Confronto delle caratteristiche principali per idrazina, perossido di idrogeno ed etano.

Caratteristica Vantaggi

Non tossico e immagazzinabile

Commerciale, confezionamento semplice senza isolamenti, operazioni a terra semplificate

Termochimica favorevole Altà densità, semplice gestione termica

Ossidante/Monopropellente Non necessita di un sistema di accensione separato, vasto campo di spinte, sistema di pompaggio economico

Iniezione gas-liquida Aumenta il margine di stabilità, alta efficienza di combustione, semplice sistema di iniezione

Tabella 1.2 Caratteristiche e benefici dell’uso del perossido di idrogeno come propellente.

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Si è ritenuto necessario inserire già in questo capitolo le prestazioni propulsive stimate di un endoreattore bipropellente H2O2-C2H6. I risultati riassunti nei grafici a seguire non sono tratti dalla letteratura nè da dati sperimentali ma sono il risultato di un calcolo chiarito nei capitoli successivi, se ne anticipa brevemente qui le ipotesi semplificative:

Totale dissociazione del perossido di idrogeno sul letto catalitico.

Camera di combustione adiabatica.

Totale combustione dell’etano.

Unica dissociazione significativa in camera quella della CO2.

Espansione nel vuoto.

I grafici sono costruiti ipotizzando una pressione in camera di 10 atm e variando il rapporto di espansione nei valori 5, 30,50.

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900

Rapporto di miscelamento H2O2/C2H6 [--]

Temperatura in camera [°K]

Phi Vs Temperatura in camera Ae/At = 30

Concentrazione = 75%

= 85%

= 95%

Figura 1.8 Temperatura in camera per H2O2-C2H6 al variare del rapporto di miscelamento.

La Figura 1.8 mostra come si raggiungano temperature vicino ai 2900°K con HP al 95% con un rapporto di miscelamento intorno a 8.

(8)

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1.69

1.695 1.7

Rapporto di miscelamento H2O2/C2H6 [--]

Coefficiente di spinta [--]

= 85%

= 95%

Figura 1.9 Coefficiente di spinta per H2O2-C2H6 al variare del rapporto di miscelamento con Ae/At = 5.

La Figura 1.9 mostra come il coefficiente di spinta risulti poco variabile con il rapporto di miscelamento e si posizioni su un valore di circa 1.7.

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285

Rapporto di miscelamento H2O2/C2H6 [--]

Impulso specifico [s]

Phi Vs Impulso specifico Ae/At = 5

Concentrazione = 75%

= 85%

= 95%

Figura 1.10 Impulso specifico per H2O2-C2H6 al variare del rapporto di miscelamento con Ae/At

= 5.

L’impulso specifico ha sostanzialmente lo stesso andamento della temperatura in camera, si vede come con un rapporto di espansione di 5 si raggiungano già impulsi specifici superiori a 250.

Come mostra la Figura 1.9 si ha un massimo dell’impulso specifico lavorando in eccesso di ossidante (il rapporto stechiometrico per perossido puro risulta 7), ciò è, come vedremo in seguito, un aspetto estremamente positivo.

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6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1.885

1.89 1.895 1.9 1.905 1.91 1.915 1.92

Rapporto di miscelamento H2O2/C2H6 [--]

Coefficiente di spinta [--]

Concentrazione = 75%

= 85%

= 95%

Figura 1.11 Coefficiente di spinta per H2O2-C2H6 al variare del rapporto di miscelamento con Ae/At = 30.

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

260 270 280 290 300 310 320

Rapporto di miscelamento H2O2/C2H6 [--]

Impulso specifico [s]

Concentrazione = 75%

= 85%

= 95%

Figura 1.12 Impulso specifico per H2O2-C2H6 al variare del rapporto di miscelamento con Ae/At

= 30.

Le Figura 1.11 e Figura 1.12 mostrano le prestazioni ottenute con un rapporto di espansione di 30, l’impulso specifico sale a 300 s con HP all’85%.

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6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1.925

1.93 1.935 1.94 1.945 1.95 1.955 1.96 1.965

Rapporto di miscelamento H2O2/C2H6 [--]

Coefficiente di spinta [--]

= 85%

= 95%

Figura 1.13 Coefficiente di spinta per H2O2-C2H6 al variare del rapporto di miscelamento con Ae/At = 50.

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

270 280 290 300 310 320 330

Rapporto di miscelamento H2O2/C2H6 [--]

Impulso specifico [s]

Concentrazione = 75%

= 85%

= 95%

Figura 1.14 Impulso specifico per H2O2-C2H6 al variare del rapporto di miscelamento con Ae/At

= 50.

Con rapporto di espansione superiore a 50 le prestazioni arrivano ai valori riportati nelle Figura 1.13 e Figura 1.14, dopodiché le variazioni diventano esigue.

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0

50 100 150 200 250 300 350

Rapporto di espansione ugello Ae/At [--]

Prestazioni

Prestazioni al variare del rapporto di espansione ugello Ae/At con concentrazione = 85%

Impulso specifico [s]

Coefficiente di spinta x 100 [--]

Pressione in uscita ugello [kPa]

Figura 1.15 Prestazioni per H2O2 (85 %) - C2H6 con rapporto di miscelamento 9 al variare del rapporto di espansione dell’ugello Ae/At.

La Figura 1.15 riassume le precedenti; mostra come già per rapporti di espansione superiori a 2 sia possibile con HP all’85% con rapporto di miscelamento di 9 ottenere impulsi specifici dell’ordine di 250 s con coefficienti di spinta superiori a 1.5. Si noti quindi come l’impulso specifico per un sistema HP (98%)- C H2 6 con O/F = 7 è meno del 10% più basso di quello di un sistema NTO/MMH (320 s) e relativamente insensibile a variazioni del rapporto di miscelamento. Per impulso specifico ottimo, sistemi a NTO-idrazina operano con miscela in eccesso di carburante a temperature molto elevate ( > 3000 °K) più basse del massimo esponendo quindi il sistema a rischi di surriscaldamento locale dovuto a iniezione e mescolamento errato. HP-C H2 6 lavora con miscela ricca di ossidante vicino alla massima temperatura di fiamma intorno ai 2900 °K eliminando cosi il rischio di zone surriscaldate e rendendo il sistema compatibile con le attuali camere di combustione in Niobio.

Il lavoro svolto trova la sua massima ispirazione nel lavoro di Moser (2001) [7] denominato Comp-L, una variante del sistema propulsivo sviluppato da Utah Rocketry (1997); Moser ottiene un impulso specifico superiore ai 300 s con un sistema HP-Etano, sfruttando l’etano stesso, come qui ci proponiamo di fare, per pressurizzare il perossido di idrogeno. Moser ha eseguito prove su prototipi di endoreattori da 100 lb e 5 lb di spinta utilizzando catalizzatori a base di argento. La Figura 1.16 mostra le prestazioni calcolate da Moser per HP a varie concentrazioni e con 3 diversi tipi di agenti stabilizzanti.

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Figura 1.16 Impulso specifico al variare del rapporto di miscelamento del Comp-L per diversi tipi di HP.

1.3.Principio di funzionamento

I sistemi FVP (Fuel Vapor Pressurization) utilizzano l’alta pressione di vapore di un idrocarburo leggero al fine di trasferire il carburante e l’ossidante nella camera di combustione.

Un'analisi propulsiva e termodinamica indica che perossido di idrogeno ed etano rappresentano la scelta più promettente per inserire i potenziali vantaggi del sistema FVP al fine di realizzare un sistema propulsivo semplice, sicuro e economico.

I principali elementi della configurazione FVP sono:

Il doppio serbatoio contenente entrambi i propellenti

La griglia di iniezione del perossido di idrogeno per fornire e distribuire l’ossidante sul letto catalitico

Il letto catalitico responsabile della decomposizione dell’HP

L’ugello convergente-divergente per generare la spinta

Quando la valvola del perossido di idrogeno viene aperta, l’ossidante raggiunge il catalizzatore il quale crea un getto di gas caldi. Dopo un piccolo ritardo viene aperta la valvola dell’etano che raggiunge gli iniettori e si miscela con il getto ossidante producendo l’accensione spontanea e la conseguente combustione. Considerando che la medesima pressione alimenta i due propellenti sono sufficienti dei dispositivi passivi per regolare la portata.

La Figura 1.17 mostra lo schema del sistema, essa anticipa una scelta che verrà chiarita in seguito relativamente al metodo di iniezione dei propellenti e alla regolazione della loro portata.

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Considerando la temperatura di combustione moderatamente elevata, una camera con raffreddamento radiativo sembra essere fattibile utilizzando Niobio al posto di materiali più costosi.

Regolazione portata etano

Regolazione portata HP

Il letto catalitico

2 6

m&C H

m&HP Il serbatoio

Membrana elastica HP

2 6

C H

Figura 1.17 Schema del motore H2O2-C2H6 FVP.

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1.4. Obiettivi della tesi

L’obiettivo principale della tesi è stato la progettazione concettuale di un endoreattore bipropellente H2O2-C2H6 e lo studio di una particolare configurazione del serbatoio, come chiarito nei capitoli successivi, che permetta di eliminare la necessità di un sistema attivo di pressurizzazione.

Per la corretta progettazione di questi elementi, tra gli obiettivi della tesi c’erano anche lo studio dei principi di funzionamento e delle principali parti di un endoreattore bipropellente a perossido di idrogeno e etano e la conoscenza delle principali tecnologie e delle sfide tecnologiche legate a queste applicazioni.

Il lavoro di tesi è stato suddiviso in tre macro-argomenti:

I propellenti

Analisi termica del comportamento del serbatoio

Il propulsore

Nell’ultimo capitolo sono riportate inoltre le conclusioni e gli sviluppi futuri della ricerca in questo ambito.

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1.5. Riferimenti

[1] M.Ventura, P.Mullens, The Use of Hydrogen Peroxide for Propulsion and Power, AIAA Paper 99-2880, , 35th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Los Angeles, USA, June 1999.

[2] V. Bombelli, T. Marée, J.L. Moerel, D. Simon, Economic Benefits of the Use of Non-Toxic Monopropellants for Spacecraft Applications, AIAA Paper 2003-47, 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Huntsville, USA, July 2003.

[3] M. Ventura, G. Garboden, A Brief History of Concentrated Hydrogen Peroxide Uses, AIAA Paper 99-2739, 35th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Los Angeles, USA, June 1999.

[4] R.P. Fuller, P.W. Morlan, Development of a Pressure-Fed Rocket Engine Using Hydrogen Peroxide and JP-8, AIAA Paper 99-2877, 35th AIAA/ASME/SAE/ ASEE Joint Propulsion Conference, Los Angeles, USA, June 1999.

[5] Wucherer E. J., Christofferson S. and Reed B., 2000, “Assessment of High Performance HAN Monopropellants”, AIAA 2000-3872.

[6] Ronald W. Humble, KB Sciences, Inc., Colorado Springs,CO, “Bipropellent engine development using hydrogen peroxide and a hypergolic fuel”, AIAA 2000-3554, 36th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Huntsville, Alabama,USA, 16-19 July 2000.

[7] Daniel J. Moser, Compositex, Sandy, UT, “High-Performance, non-toxic spacecraft propulsion system development”, AIAA 2001-3248, 37th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Salt Lake City, Utah, 8-11 July 2001.

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