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Sperimentazione di fenomeni di instabilità nelle camere di combustione di endoreattori a propellenti liquidi
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Operational Research Project on Hybrid Engine in Europe
No full textNowadays, chemical propulsion is based on solid (launch applications like first stage booster) or liquid technologies (primary stages, upper stage engines). Complementary, hybrid propulsion technology, as defined in ORPHEE (Operational Research Project on Hybrid Engine in Europe), appears as a new generation of advanced space transportation system. Engines based on this innovative propulsion concept can provide advantages like thrust performance, throttling (thrust modulation), versatility (easy adaptation to various configurations), simplicity, safety.
It will help to consolidate the long term sustainability and ensure a technology needed by the European propulsion space community to remain independent.
Hybrid propulsion principle is based on the injection of a liquid or gaseous oxidizer into the engine combustion chamber where it reacts with a solid fuel to generate hot gases providing the thrust. Enlarging the burning surface is the current proposed solution to reach the needed performance level. It dramatically increases the solid grain volume and the engine weight, limiting the applications. The regression rate is a key parameter controlling the solid fuel grain design. Its increase is a very attractive solution to reduce the grain volume.
The main objectives of ORPHEE are to increase versatility of space propulsion systems, to ensure a significant increase in the performance of a hybrid engine, to improve the solid fuel technological maturity from TRL 1 to 3, to gather the European skills on hybrid propulsion and to ensure European access to space.
In near future, the availability of new hybrid engines will allow the access to new space transportation missions. By consolidating the knowledge on this innovative technology and by implementing solutions in upcoming space agencies roadmaps, the European space propulsion community will strengthen its global competitiveness.
To achieve the overall objectives described above, numerous measurable objectives have been identified in term of knowledge development and physics understanding, but also in term of technological planning development.
�� Performance requirements for two Space transportation applications
o Upper stage engine
o Booster engine
�� Solid fuel formulation characterized by an increased regression rate to reach 3-4 mm/s
�� Test-firingatlab-scale
o Test definition
o Material supplying
o Grain manufacturing
�� Feasibility of models for mastering
o Liquid oxidizer injection
o Solid fuel regression
o Combustion efficiency
o Operating effect (chamber geometry, operating pressure, ...)
�� Demonstrator design for both applications and test bench design for demonstrating advantages of Hybrid engines.
The scientific and technological objectives are related to provide European space industries a better and new knowledge on hybrid technology. Missions definition and propulsive performance requirements are also defined to induce preliminary designs of demonstrators. By dealing with an innovative propulsion system, ORPHEE will have a deep dissemination impact in Europe through the variety participating disciplines (research, process and engineering, modelling and simulation...).
Finally, the innovative assets will deal with:
�� New knowledge on fuel and oxidizer materials (i.e. optimised fuel with regard to regression rate and propulsive performance)
�� Development of characterization methodology by experimental set up improvement and adaptation (small and laboratory scale)
�� Knowledge of physical phenomena through both numerical tools and experimental approach
�� Development of models for engine preliminary design
�� Development of manufacturing device and safety knowledge involved in the grain manufacturing
�� Better understanding of physical phenomena involved in hybrid engine operating
�� New knowledge in engine architecture through new grain design and proposition of demonstrator design

Partners
- SNPE Matériaux Energétiques - COORDINATOR
- EADS ASTRIUM S.A.S.
- EADS ASTRIUM GmbH
- AVIO S.P.A.
- ONERA - Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales
- DLR - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
- Politecnico di Milano, Dipartimento di Energetica
- Universita Degli Studi di Napoli Federico II
- UPB-Universitatea Politehnica Din Bicuresti
- Thyia Tehnologije d.o.
Misura delle prestazioni ed analisi dell'influenza delle modalità di iniezione dell'ossidante sulla velocità di regressione e sulla efficienza e stabilità del processo di combustione in un endoreattore a propellenti ibridi con combustibili avanzati
No full textLa propulsione ibrida non ha avuto a tutt'oggi uno sviluppo adeguato ai benefici promessi in quanto per anni non è stata adeguatamente approfondita la ricerca su temi fondamentali quali la bassa velocità di regressione, lo shift nel tempo del rapporto di miscelamento e, conseguentemente, delle prestazioni e le instabilità che, sebbene in maniera ridotta rispetto ai solidi, sono talvolta riscontrate.
Gli studi condotti finora dai ricercatori dell’Unità di Napoli, parzialmente finanziati da un precedente PRIN nel 2005, hanno riguardato prevalentemente l'analisi dell'effetto dell'iniezione dell'ossidante sulla balistica interna in un razzo ibrido con GOX-PE in configurazione classica con un grano cilindrico ad una sola porta.
Inoltre nell'ambito della ricerca di metodi per accrescere la velocità di regressione del combustibile e, allo stesso tempo, l'impulso specifico, è stata presa in considerazione nel PRIN 2005 l'aggiunta di particelle energetiche.
La complessità e il costo degli esperimenti necessari hanno impedito nel corso del PRIN 2005 di condurre un numero di prove tale da permettere un’analisi approfondita degli effetti di tali additivi sulla velocità di regressione e sulla efficienza e stabilità della combustione.
Comunque alcuni test effettuati con particelle di Alluminio di dimensioni micro nel corso del programma PRIN 2005 e in un altro programma condotto per conto di ESA, hanno dimostrato che tali particelle non forniscono risultati soddisfacenti presentando un non significativo incremento della velocità di regressione e un notevole residuo all’uscita dell’ugello, indice della non partecipazione delle particelle al processo di combustione. Attualmente, grazie ai progressi fatti nel campo delle nano-tecnologie, è proponibile riprendere l'idea di disperdere nano-particelle di alluminio nel grano solido anche se il loro costo è elevato ma, giovandosi dei test fatti preliminarmente in piccola scala nel Laboratorio dell’Unità di Milano, sarà possibile ridurre i test su motore a un numero piccolo ma con formulazioni che già promettono miglioramenti in prestazioni e quindi sufficienti a verificare quanto ipotizzato con modelli teorici.
Nell'ambito del programma di ricerca l'Unità di Napoli sarà responsabile della attività sperimentale mirata ad acquisire una conoscenza sempre più approfondita delle fenomenologie connesse alla combustione ibrida, con il supporto di una serie di test con diverse formulazioni del combustibile, sulla base dei risultati ottenuti in piccola scala dall’Unità di Milano.
Sarà progettato un iniettore swirl per effettuare un confronto con l'iniettore assiale in termini di velocità di regressione, stabilità ed efficienza della combustione (calcolata mediante i valori della c*) e regolarità del consumo lungo la superficie a parità di percentuale in massa e dimensioni delle particelle di alluminio, di flusso di ossidante medio e pressione in camera.
Per l'integrazione dei risultati delle prove sperimentali si utilizzerà un modello di riduzione dei dati sperimentali elaborato nel precedente PRIN 2005 che fornirà l'evoluzione delle grandezze medie nello spazio in funzione del tempo.
Per condizioni di prova suggerite dagli studi di missione condotti dall’Unità di Torino, l'Unità di Napoli, coadiuvata dai ricercatori dell’ Unità di Milano, si occuperà della preparazione e conduzione delle prove che verranno effettuate sul motore a propellenti ibridi montato sul banco prova dell'Unità di Napoli.
Saranno condotte due campagne di prova, una con un iniettore assiale e l'altra con un iniettore swirl. Le prove saranno effettuate al variare della pressione in camera e del flusso di ossidante e per differenti formulazioni del combustibile.
Si misurerà la velocità di regressione istantanea con la tecnica ad ultrasuoni, la spinta del motore, la velocità caratteristica di efflusso c*, la relativa efficienza, la pressione in camera (a monte dell'ugello e a valle dell'iniettore) a bassa frequenza e la pressione ad alta frequenza a valle dell'iniettore, nonché la distribuzione spaziale del consumo di combustibile per trarre utili risultati da confrontare con quelli previsti teoricamente per quanto riguarda l’influenza dell'iniettore e della composizione del combustibile sulla velocità di regressione e sulla efficienza e stabilità della combustione.
Dati di test precedenti relativi alle condizioni del flusso all'ingresso dell'ugello (p, T, O/F) saranno inoltre forniti all’Unità di Roma in una prima fase per permettere la caratterizzazione dell'ambiente dell'ugello e quindi studiare il comportamento di diversi tipi di protezione termica. In seguito si cercherà di fornire alla stessa Unità di Roma le caratteristiche del flusso a qualche diametro di distanza dall'iniettore, utilizzabili come condizione di ingresso allo scopo di validare i modelli di pirolisi e combustione
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