1.3 Endoreattori a propellenti ibridi
Un endoreattore a propellenti ibridi utilizza in genere un ossidante liquido ed un combustibile solido. Gli elementi costitutivi fondamentali per un endoreattore a propellenti ibridi sono il serbatoio del gas pressurizzante, il tank dell’ossidante liquido, l’accenditore ed il combustibile solido. Vediamo uno schema semplificato di un endoreattore che usa il sistema di alimentazione con pressurizzazione del serbatoio ( per applicazioni a razzi sonda l’impulso totale richiesto è relativamente basso e non si richiede l’utilizzo di turbopompe ) :
Figura 1.3 Schema di un endoreattore ibrido con i principali componenti
Il gas pressurizzante in realtà non è presente se l’ossidante ha proprietà autopressurizzanti come accade per il protossido di azoto. Per gli endoreattori che sfruttano questo ossidante lo schema è ancora più semplice e prevede il solo serbatoio dell’ossidante. La caratteristica più importante per gli endoreattori a propellenti ibridi è la loro assoluta sicurezza oltre che la loro semplicità. Ossidante e combustibile sono infatti separati e reagiscono solo quando vengono a contatto. Le sostanze utilizzate sono relativamente semplici da ottenere anche in industrie civili e soprattutto non presentano caratteristiche esplosive come quelle utilizzate negli endoreattori a propellenti solidi. In genere non è previsto il sistema di raffreddamento attivo per questi endoreattori ed inoltre, rispetto agli endoreattori a propellenti liquidi, la presenza di un solo liquido si traduce in una maggiore semplicità ed in un minore costo del sistema di alimentazione. Un altro grande vantaggio degli endoreattori a propellenti ibridi, rispetto ai solidi, è che sono regolabili e si possono spegnere e riaccendere. Si nota peraltro che negli ibridi si ha una sola “manetta” : o si decide il livello di spinta oppure il rapporto di miscela. Nel caso degli endoreattori liquidi la presenza di due flussi di liquido mi consente invece di regolare sia la portata (la spinta) sia il rapporto di miscela. Ai vantaggi offerti dagli endoreattori a propellenti ibridi si affiancano anche alcuni problemi. In generale essi sono caratterizzati da un basso rendimento di combustione ed i propellenti presentano delle basse velocità di regressione rispetto a quelle dei solidi che si traducono in una minore portata e una minore spinta. Per aumentare la portata posso agire sulla superficie di combustione che è quella del combustibile solido che viene a contatto con l’ossidante liquido. Una geometria con una grande superficie di combustione che occupi un volume piccolo si può ottenere facendo molti fori all’interno del grano combustibile ottenendo una struttura multiporta. La struttura multiporta comporta uno riempimento meno efficiente della camera di combustione e un maggiore propellente residuo a fine combustione. Vediamo il confronto tra i due tipi di grano.
Figura 1.4 Porta singola e multipla per i grani propellenti
Nel nostro lavoro considereremo una unica porta centrale cilindrica ma dovremo verificare che il razzo non presenti allungamenti eccessivi. Se confrontiamo le espressioni delle velocità di regressione per i propellenti solidi e per quelli ibridi notiamo una sostanziale differenza. Nei propellenti solidi la velocità di regressione viene in genere calcolata come
[ m/s] (1.1)
Tale formula mostra una dipendenza della pressione in camera e quindi una dipendenza dalla cinetica chimica. Nel caso dei propellenti ibridi sperimentalmente si vede che il processo di combustione è regolato dalla diffusione e non dalla cinetica chimica e si avvicina di più alla combustione di una gocciolina di liquido e la velocità di regressione è funzione del flusso di massa dell’ossidante. Il diagramma seguente mostra la velocità di regressione in funzione del flusso di massa per la combinazione LOX-HTPB (4) .
Figura 1.5 Modello per la velocità di regressione del combustibile solido(4)
Come si nota ci sono tre zone distinte. Per bassi flussi predomina la radiazione, per flussi intermedi la convezione e per alti flussi si fa sentire anche la cinetica chimica. La relazione della velocità di regressione da noi utlizzata (vedi equazione 2.59) vale nella zona intermedia.
Vediamo un modello semplificato di come avviene la combustione per nel caso dei propellenti ibridi.
Figura 1.6 Schema della combustione per un endoreattore ibrido
In pratica il propellente solido evapora e si genera uno strato limite “soffiato”. L’ossidante si deve diffondere nello strato limite per incontrare il gas. La fiamma a questo punto si genera quando ho un rapporto di miscela vicino al valore stechiometrico e fornisce calore al solido per farlo evaporare. In realtà con il riscaldamento il solido liquefa, poi evapora e raggiunge la zona della fiamma. Il riscaldamento del solido avviene per irraggiamento e convezione ed è un processo lento. Questo modo di bruciare determina i problemi esposti di bassi rendimenti e basse velocità di regressione. Il rendimento può essere basso perchè parte del combustibile non riesce ad arrivare alla fiamma e non brucia. Per questi motivi si sistema un mixer a valle della camera di combustione nel quale si completa la combustione. Le considerazioni fatte sulla combustione dei propellenti ibridi e sui problemi che presentano questi endoreattori influiscono anche sulla scelta dei propellenti per questi razzi. Il problema delle basse portate che si riescono a generare con i propellenti ibridi si può ridurre agendo sulla superficie di combustione, come abbiamo visto, ma anche agendo sul rapporto di miscela. Se ho difficoltà a produrre la portata di combustibile (che con quella di ossidante fornisce la portata totale) posso pensare di scegliere un funzionamento a grande rapporto di miscela. Con riferimento alla Fig A.4 nella Appendice A posso fare alcune considerazioni sulla scelta dei propellenti. Scelta una combinazione, per massimizzare le prestazioni conviene avere un motore che funziona al rapporto di miscela che mi garantisce il massimo della velocità efficace dei gas di scarico. La combinazione LOX-HTPB presenta il massimo della velocità efficace a rapporti di miscela bassi dell’ordine di 2-3. Con un funzionamento a tale rapporto di miscela per ottenere 1 kg di fuel devo utilizzare 2-3 kg di ossidante. Se consideriamo le combinazioni HP-PE e NOX-HTPB si nota che i rapporti di miscela ottimali sono più grandi. Se scelgo un rapporto di miscela pari a 6 allora ho meno necessità di fuel perchè ne uso 1 kg per 6 kg si ossidante e nella portata totale il propellente ha minore peso. Ecco quindi che, oltre alla combinazione LOX-HTPB, nel caso degli endoreattori ibridi risultano interessanti anche altre combinazioni di propellenti come NOX-HTPB ed HP-PE. Questo anche se hanno una velocità caratteristica massima ed in impulso specifico massimo minore della combinazione che usa l’ossigeno liquido come ossidante. Nel nostro lavoro confronteremo le prestazioni dell’endoreattore ibrido alimentato con le tre combinazioni di propellenti. In realtà l’utilizzo del protossido di azoto presenta anche il grosso vantaggio della semplicità del razzo nel quale non è necessario il gas pressurizzante. Vantaggi legati ad ossidanti come il perossido di idrogeno ed il protossido di azoto sono il basso costo e la sicurezza nel maneggiarli.
