Lezione 17 Endoreattori a propellente solido - UniversitÃ di Roma ...

More documents

Recommendations

Info

[ \ 1d ' '( 6 m n3 8 NK ) 1 § 2 6 m n3 m n3 8 . / 0 6 . /V! g 8 1( h hi j [ \ +, 0 21( 0 0 < ( , + p 0 21( o 21( +-, 21( 2 +-, 1 1 2 [ c 1( 2s ( h hi j r21( c 2 1 [ [c g [ c 21( [c 10 Lezione 17 Endoreattori a propellente solido 11 . m ṁeq 1 . m b (n1) ṁeq p /p c c,eq Figura 17.7: Pressione di equilibrio in camera di combustione. caratteristiche del propellente nel funzionamento stabile (17.11): ricordando il legame tra spinta e si ha che la spinta varia nel tempo come: 21( +-, 1( 2 2[ \ (17.17) dove è costante e l’effetto su delle variazioni di con è molto minore di quello diretto di . Infatti dipende essenzialmente dalle caratteristiche di espansione dell’ugello ( ) che restano invariate, del fluido propulsivo (le cui caratteristiche e quindi sono indipendenti da variazioni della portata di propellente) e dal rapporto . Quest’ultimo varia ma il contributo del termine di pressione ha un effetto trascurabile rispetto a quello più diretto di . Resta quindi e, se il tipo di propellente è fissato, si può dire che essa dipende da solo attraverso in quanto , sono costanti. Quindi, essendo , si ha: g [-c [ \ nell’espressione di V! e si ottiene: / 2U. k (17.16) Quest’ultima equazione permette di osservare che per la pressione in camera di combustione tenderà a diminuire in conseguenza di un aumento di viceversa. Tende dunque a riportarsi alla condizione di equilibrio. Se invece si ha un funzionamento instabile e cioè ad ogni aumento di pressione in camera di combustione il sistema reagisce con una tendenza ad aumentare ancora di più il valore di . Va notato che l’autostabilizzazione è maggiore quanto più è (vedi anche Fig. 17.7). Quando è basso e si avvicina a zero la combustione può diventare instabile ed anche estinguersi. Alcuni propellenti hanno negativo cosa importante per motori riaccendibili o generatori di gas. Un propellente con è caratterizzato essenzialmente dalla assenza di variazioni di in un largo intervallo di . Sono detti PROPELLENTI PLATEAU quelli che mostrano una valore costante in un intervallo limitato di . ed a diminuirla ancor più in corrispondenza di una diminuzione imprevista di e q[ c (17.18) In pratica la (17.18) evidenzia come la dipendenza della spinta da e la possibile variazione di nel tempo possono provocare una variazione della spinta nel tempo. In altri termini, l’evoluzione determina l’andamento della spinta nel tempo e, almeno in teoria si può giocare sul progetto della geometria del grano per ottenere un andamento di spinta variabile nel tempo. Tuttavia bisogna osservare che, in generale, il motore è dimensionato per la elevata che esso deve sopportare e quindi nel caso di un motore con un andamento di spinta non costante esso sarà sovradimensionato per gran parte del suo periodo di funzionamento. Conviene dunque costante, o comunque che le variazioni siano piccole. In base all’evoluzione della superficie di combustione nel tempo, il grano di propellente F più 17.4 Il grano di propellente solido Il grano di propellente solido è la massa di propellente sagomato all’interno del motore. Il materiale e la configurazione geometrica del grano determinano le caratteristiche di prestazione del motore. Il grano è un solido colato, stampato o estruso ed è simile a gomma dura o plastica, che può essere posto nel contenitore (telaio) in diversi modi. Si avranno pertanto: Spinta Neutro Regressivo Progressivo Grani caricati come cartuccia (Cartridge-loaded). Propellenti manufatturati separatamente (per estrusione o colata in uno stampo) e caricati come una cartuccia nel telaio (o cassa). tempo t Grani legati al telaio (Case-bonded). Il telaio stesso è usato come stampo e il propellente è colato direttamente al suo interno. La maggior parte dei grani viene realizzata in questo modo. E’ interessante vedere come le caratteristiche geometriche del grano sono legate all’espressione della spinta. Per fare questo si ricorda l’espressione che lega la pressione in camera di combustione alle Figura 17.8: Andamento della spinta in funzione del tempo nel caso di grano progressivo, regressivo o neutro. può essere classificato come appartenente ad una delle tre famiglie (Fig. 17.8): Università di Roma “La Sapienza” Corso di Propulsione Aerospaziale Università di Roma “La Sapienza” Corso di Propulsione Aerospaziale
vvvvvvvvvvv vvvvvvvvvvv vvvvvvvvvvv vvvvvvvvvvv vvvvvvvvvvv wwwwwwwwwww wwwwwwwwwww wwwwwwwwwww wwwwwwwwwww wwwwwwwwwww uuuuu uuuuu uuuuu uuuuu uuuuu ttttt ttttt ttttt ttttt ttttt zzzzzzzzzzz zzzzzzzzzzz zzzzzzzzzzz zzzzzzzzzzz zzzzzzzzzzz {{{{{{{{{{{ {{{{{{{{{{{ {{{{{{{{{{{ {{{{{{{{{{{ {{{{{{{{{{{ yyyyy yyyyy yyyyy yyyyy yyyyy xxxxx xxxxx xxxxx xxxxx xxxxx }}}}}}}}}}} ||||||||||| ~~~~ ~~~~ }}}}}}}}}}} ||||||||||| ~~~~ ~~~~ ‚‚‚‚‚‚‚‚‚‚‚ ƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒ €€€€€ ‚‚‚‚‚‚‚‚‚‚‚ ƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒ €€€€€ ‚‚‚‚‚‚‚‚‚‚‚ ƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒ €€€€€ ‚‚‚‚‚‚‚‚‚‚‚ ƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒ €€€€€ ‚‚‚‚‚‚‚‚‚‚‚ ƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒ €€€€€ ' [-c '( ' [-c ' [-c '( '( }}}}}}}}}}} ||||||||||| }}}}}}}}}}} ||||||||||| }}}}}}}}}}} ||||||||||| †„ † ‡ \ˆ C § '( † k ! kc k…„ § †„ ` † ‰ ‰ k…„ kc k 12 Lezione 17 Endoreattori a propellente solido 13 Grano Progressivo E’ il caso in cui la geometria è tale che . La geometria del grano fa sì che nella fase in cui essa brucia la spinta, la pressione in camera e la superficie di combustione aumentano. Grano Neutro E’ il caso in cui la geometria è tale che . La combustione è detta neutra se le variazioni della spinta nel tempo si mantengono al di sotto del 15%. Grano Regressivo E’ il caso in cui la geometria è tale che . La geometria del grano fa si che nella fase in cui essa brucia la spinta, la pressione in camera e la superficie di combustione diminuiscono. Diverse configurazioni geometriche possono essere realizzate per il grano di endoreattore a propellente solido. Tra queste le principali sono (alcune sono anche illustrate in Fig. 17.9): grani bidimensionali: – grani a combustione di estremità (grano a sigaretta); – grani a combustione radiale (grani tubolari, grano a stella, . . . ); grani tridimensionali. Grano a sigaretta: Neutro Grano tubolare interno: Progressivo Grano tubolare esterno: Regressivo Grano a stella: Neutro Figura 17.9: Diverse tipologie di grano per endoreattori a propellente solido. L’andamento della superficie di combustione nel tempo, se essa è cioè progressiva, regressiva o neutra, non è l’unica proprietà importante per selezionare un certo tipo di geometria anziché un altro. Un’altra proprietà molto importante è il coefficiente di riempimento o rapporto di carica volumetrico che definisce quanto propellente può essere stivato a parità di volume dei contenitori, o, meglio, quanto deve essere il volume del contenitore per contenere un certo volume e quindi una certa massa di propellente. Le principali proprietà del grano sono dunque: Tipo di combustione: progressiva, regressiva o neutra (vedi sopra). Rapporto di carica volumetrico (Volumetric loading fraction): Web Thickness (Spessore della trama): spessore minimo del grano dalla superficie di combustione iniziale al telaio ( velocità di combustione). Web Fraction Residuo di propellente: (Frazione di trama): 17.5 Propellenti solidi . ( diametro). Gli ingredienti che vanno a formare il grano di propellente solido possono essere di diverso tipo, tuttavia, in generale, devono soddisfare alcuni requisiti. Al solito alcuni requisiti saranno in contrapposizione tra di loro e quindi bisognerà fare una scelta di compromesso che dipenderà dalla particolare applicazione. I principali requisiti sono: 1. Elevata energia chimica disponibile (alta 2. Basso peso molecolare dei prodotti di combustione; 3. Densità elevata per ridurre il volume della camera; 4. Basso valore dell’indice di combustione per avere combustione stabile; #;Š! e di conseguenza ); 5. Scarsa sensibilità alle variazioni della temperatura ambiente (basso 6. Scarsa sensibilità alla combustione erosiva; 7. Facilità di accensione; 8. Prestazioni costanti per quanto possibile alla variabilità delle condizioni operative; 9. Buone proprietà meccaniche; 10. Buona aderenza alle pareti; 11. Coefficiente di dilatazione termica quanto più possibile simile a quello delle pareti; 12. Bassa sensibilità a tempi lunghi di immagazzinamento; 13. Buona stabilità in fase di lavorazione; 14. Opacità all’irraggiamento; 15. Gas di scarico privi di fumi; 16. Facilità di approvvigionamento; 17. Costi contenuti. Si ricorda che, come visto all’inizio della discussione sugli endoreattori a propellente solido, basso costo, affidabilità (semplicità) e stivaggio per lunghi periodi (dell’ordine di decine di anni) sono tra le proprietà principali, cioè quelle che inducono all’uso di endoreattori a propellente solido. Il termine “propellente solido” viene usato sia per indicare la miscela plastica o gommosa che costituisce il grano completo e finito (contenente combustibile, ossidante, e additivi) sia il grano processato ma non ancora finito, sia i singoli ingredienti che costituiscono un grano. Focalizzando l’attenzione sul primo significato, si possono classificare i propellenti solidi come essenzialmente appartenenti a due famiglie: quella dei propellenti solidi omogenei (o doppia-base) e quella dei propellenti solidi eterogenei (o compositi). 4 5 ); Università di Roma “La Sapienza” Corso di Propulsione Aerospaziale Università di Roma “La Sapienza” Corso di Propulsione Aerospaziale
Page 1 and 2: ¡¢ ¡ Lezione 17 Endoreattori a p
Page 3 and 4: § ! 4"5 67 § 7 § 8 !
Page 5: § § _ b* d [ \ ef b*c _ [ c .
Page 9 and 10: 0 Š ” -` 3 p V! § •Ž ©
Page 11 and 12: ( ( » 3Æ \ -a ‹ +¯,m

Lezione 17 Endoreattori a propellente solido - UniversitÃ di Roma ...

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?