CAPITOLO 1
INTRODUZIONE
In questo capitolo viene fatto un breve excursus storico sull’utilizzo in passato del perossido di i-drogeno e sulle sue applicazioni attuali. Poi viene spiegato brevemente il funzionamento di un endore-attore a perossido di idrogeno e, infine, vengono illustrati gli obiettivi della tesi.
1.1 Utilizzo del perossido di idrogeno in campo propulsivo
Il perossido di idrogeno è stato usato in molte applicazioni per la propulsione e la generazione di potenza negli ultimi 70 anni. Nel seguito si illustrano le principali realizzazioni tecniche.
1.1.1 Cenni storici
Il perossido di idrogeno fu largamente impiegato dalla Luftwaffe tedesca durante la seconda guer-ra mondiale. Il primo ad utilizzarlo come propellente fu, nel 1936, Hellmuth Walter nello sviluppo del motore per il decollo assistito dell’Heinkel 176; questo primo motore era un razzo monopropellente che sfruttava la decomposizione di perossido di idrogeno in concentrazioni dell’80% tramite l’iniezione di una soluzione di permanganato di calcio usata come catalizzatore. Poco tempo dopo, lo stesso Hellmuth Walter realizzò il motore del Messerschmidt Me 163B Komet; questo era un motore bipropellente che utilizzava il perossido di idrogeno all’80% come ossidante e come combustibile un composto ipergolico di idrazina idrata e alcol metilico. Ma l’applicazione più conosciuta del perossido di idrogeno durante la seconda guerra mondiale è per l’azionamento della turbopompa del missile bali-stico V-2 (figura 1.1).
Modellazione 3D e calibrazione di una bilancia di spinta per endoreattori a perossido di idrogeno
Figura 1.1 Vista del motore del V-2
Dopo la guerra, molti progetti furono sviluppati in Gran Bretagna, negli Stati Uniti e in Unione Sovietica.
Utilizzando i motori tedeschi come base di partenza, in Gran Bretagna furono sviluppati diversi propulsori:
• lo Sprite, un motore monopropellente per il decollo assistito, che utilizzava perossido di idrogeno all’85% decomposto attraverso un letto catalitico a schermi di argento;
• lo Spectre, che costituiva un’evoluzione dello Sprite, poiché utilizzava il perossido di i-drogeno anche come fluido refrigerante del motore stesso;
• lo Stentor e le sue evoluzioni Gamma 201 e Gamma 301 erano motori bipropellente, nei quali i gas prodotti dalla decomposizione seguivano un processo di combustione con ke-rosene.
I motori Gamma 201 e Gamma 301 trovarono largo utilizzo soprattutto nel sistema propulsivo dei lanciatori Black Knight e Black Arrow.
Negli Stati Uniti, si iniziò ad usare il perossido di idrogeno attorno al 1950 come propellente per il siluro MK16 e, in seguito, a bordo degli aerei sperimentali della serie X: l’X-1 (figura 1.2) utilizzava perossido di idrogeno al 90% per il controllo di reazione e per il trascinamento delle pompe del motore principale, mentre l’X-15 (figura 1.3) se ne serviva anche per il controllo di assetto.
In Unione Sovietica, il perossido di idrogeno fu utilizzato soprattutto per la propulsione dei sot-tomarini e dei siluri.
Durante la guerra fredda e la corsa per la conquista dello spazio, il perossido di idrogeno fu sosti-tuito da propellenti con un impulso specifico più elevato, come l’idrazina, l’ossigeno liquido e la mi-scela ipergolica tetrossido di azoto – idrazina, anche se questi erano molto più pericolosi, costosi e complicati da manipolare e stoccare.
Introduzione
Figura 1.2 Velivolo sperimentale X-1
Figura 1.3 Velivolo sperimentale X-15
A partire dal 1990, il bisogno di propellenti a basso costo, non tossici ed ecologici portò alla ri-scoperta del perossido di idrogeno.
1.1.2 Applicazioni attuali
Attualmente i progetti più interessanti sono seguiti negli Stati Uniti e in Gran Bretagna:
• Spacecraft Reaction Control: il Lawrance Livermore National Laboratory sta lavorando a micro-propulsori da 27 N che operano con H2O2 all’85%.
• Upper Stage Main Propulsion: l’Orbital Science Corporation sta sviluppando un motore bipropellente da 45000 N per la propulsione dello stadio finale.
• Lanciatore Commerciale BA-2: la Beal Aerospace ha l’ambizioso programma di una piat-taforma di lancio che utilizza in ogni stadio perossido di idrogeno e kerosene JP. Una vol-ta complevol-tato, il primo svol-tadio fornirà una spinvol-ta superiore alle 1500 tonnellate.
Modellazione 3D e calibrazione di una bilancia di spinta per endoreattori a perossido di idrogeno
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• Ricerca e Sviluppo della Formulazione di un Combustibile Ipergolico: la Naval Air War-fare Weapons (NAWC) sta conducendo ricerche con varie formulazioni di combustibile per sviluppare l’autoaccensione con perossido di idrogeno.
• Ricerca su Razzi Ibridi: dal 1991 la Purdue University e la University of Surrey stanno conducendo ricerche su letti catalitici, formulazioni ipergoliche e motori ibridi.
1.2 Funzionamento di un endoreattore a perossido di idrogeno
I propulsori che saranno sperimentati sono motori monopropellente a perossido di idrogeno. Tali endoreattori sfruttano la dissociazione del propellente, i cui prodotti, in genere gas, vengono fatti e-spandere in un ugello convergente-divergente opportunamente dimensionato.
Il perossido di idrogeno (H2O2) ad elevata pressione entra nella camera di combustione, dove è
presente un letto catalitico costituito da un materiale che ne favorisce la decomposizione in vapor d’acqua e ossigeno gassoso con una reazione esotermica che produce calore. La reazione chimica è:
H2O2 (l) ↔ H2O (g) + 1
2O2 (g) + 98 kJ / mol (2880 kJ / kg)
Nel caso di configurazione diversa da quella monopropellente, è possibile utilizzare la miscela gassosa ottenuta in un processo di combustione con un combustibile liquido come il kerosene (confi-gurazione bipropellente) oppure in una reazione chimica con un grano solido (confi(confi-gurazione ibrida).
1.3 Obiettivi della tesi
L’obiettivo principale della tesi è stato il disegno definitivo di un banco di prova con cui effettua-re la sperimentazione di prototipi di endoeffettua-reattori monopropellente a perossido di idrogeno a bassa spinta.
Per raggiungere questo obiettivo, si è reso necessario lo studio dei principi di funzionamento e delle principali parti di un endoreattore monopropellente a perossido di idrogeno e l’approfondimento delle precauzioni necessarie per poter manipolare una sostanza pericolosa come il perossido di idroge-no ad elevate concentrazioni.
Nei capitoli che seguono saranno trattati i seguenti argomenti: • il propellente e il propulsore;
• il banco di prova;
• la calibrazione della bilancia di spinta.
