Misurare le Prestazioni di un Motore a Razzo Ibrido

Sono trascorsi più di 50 anni da quando gli esseri umani hanno messo in orbita il primo satellite e inviato il primo equipaggio sulla superficie della Luna. Tuttavia, solo nell'ultimo decennio, l'accesso allo spazio è diventato tanto conveniente da consentirci di lanciare in orbita anche carichi commerciali.

Ad oggi si utilizzano lanciatori di grandi dimensioni, con programmi rigidi e tempi di attesa lunghi, il che limita il vero potenziale dell'uso e dell'esplorazione dello spazio.

Progettazione del Motore a Propulsione Ibrida

Come alternativa, recentemente c'è stato molto sviluppo nel campo della propulsione ibrida dei razzi, che riduce drasticamente la complessità dei veicoli spaziali e può essere utilizzata per produrre lanciatori di satelliti di piccole dimensioni, semplici ed economici.

La propulsione ibrida di solito coinvolge un ossidante liquido o gassoso e un combustibile solido. I principali vantaggi della propulsione ibrida sono i costi di manutenzione e sviluppo inferiori e la facilità di stoccaggio e trasporto. Un combustibile comune nei motori a razzo ibridi è costituito da polimeri, come la gomma, spesso in combinazione con ossigeno liquido come ossidante. A causa delle loro forti capacità ossidanti, i materiali organici possono bruciare rapidamente in sua presenza, mentre materiali come l'olio o il carbone possono persino diventare esplosivi.

In questo progetto, abbiamo utilizzato hardware e software Dewesoft per l'acquisizione dei dati durante lo sviluppo, la taratura ed i test del motore ibrido SL-2, un motore pronto per il volo, preparato per l'uso sul razzo Stella 1. Alimentato da combustibile di paraffina ed ossigeno liquido, l' SL-2 produce 4 kN di spinta ed è progettato per sollevare un razzo di 80 kg ad un'altitudine di 10 km.Primo passo per lo sviluppo futuro di questa tecnologia.

Misure dettagliate ed analisi di tutti i parametri operativi ci hanno permesso di ottenere il massimo delle informazioni possibili da ogni test statico del motore, riducendo così il numero totale di test necessari.

Il razzo Stella 1

Lo Stella 1 sarà il primo razzo di Spacelink, spinto dal motore SL-2 e raggiungerà un'altitudine di 10 km. Sarà dotato di un sistema di recupero a due stadi, composto da un paracadute drogue e uno principale.

A differenza dei razzi militari e dei razzi più grandi che trasportano astronauti, lo Stella 1 è stabilizzato passivamente, il che significa che il volo verticale è assicurato da alette fisse. Queste diventano efficaci solo a una certa velocità, il che significa che il razzo deve essere guidato nei primi metri di volo. A questo scopo, abbiamo progettato e realizzato un basamento di lancio composto da una base a tre gambe ed una torre.

La tecnologia dei razzi è un argomento complesso che coinvolge temperature e pressioni elevate, vibrazioni, accelerazioni e dinamica dei fluidi. La misura precisa delle prestazioni è essenziale per l'ottimizzazione e la risoluzione dei problemi di tali sistemi.

La Spacelink

La Spacelink è composta da un team di giovani ed innovativi ingegneri che aspirano a sviluppare un programma spaziale in Slovenia. Il nostro team sta costruendo un razzo che verrà lanciato oltre la linea di Kármán, situata ad un'altitudine di 100 km e rappresenta il confine tra l'atmosfera terrestre e lo spazio esterno. 

C'è stato molto interesse ed impegno nello sviluppo della tecnologia dei satelliti in miniatura, il che ha portato alla produzione crescente di micro e nanosatelliti. Questi vanno da meno di 1 kg a qualche centinaio di kg di massa. Attualmente, il trasporto in orbita consente pochissima flessibilità con l'orbita finale, la frequenza di lancio e il programma. Alla Spacelink crediamo di poterci differenziare sviluppando razzi di dimensioni ridotte e ad alte prestazioni basati sulla propulsione a razzo ibrido per cambiare il modo in cui il carico utile viene lanciato in orbita.

Il sistema di propulsione ibrido a razzo - SL-2

Lo sviluppo di un lanciatore di solito inizia con lo sviluppo e il test del sistema di propulsione a terra. Nel nostro caso, abbiamo iniziato con il motore a razzo SL-2, che è una versione ridotta di quello che verrà utilizzato successivamente nel razzo a piena scala con un sistema di propulsione a razzo ibrido. Tuttavia, è comunque dotato di tutti i tipi di sensori ed è progettato per fornire il maggior numero possibile di informazioni.

Il motore è composto da tre parti principali:

• una camera di combustione orizzontale nella parte inferiore,

• un serbatoio di ossigeno liquido nel mezzo,

• e un serbatoio pressurizzato nella parte superiore.

Tra i serbatoi, c'è una valvola con un sistema di regolazione a circuito chiuso che preleva aria ad alta pressione dal serbatoio superiore e la trasferisce nel serbatoio dell'ossidante con una pressione inferiore e costante di 40 bar.

Quando la valvola solenoide principale sotto il serbatoio dell'ossidante viene aperta, l'ossigeno liquido viene iniettato attraverso l'ugello di iniezione, che lo disperde in goccioline fini. Nella camera di combustione, le goccioline si mescolano e reagiscono con la paraffina fusa. Questo produce prodotti gassosi super surriscaldati - più di 3000 °C, che vengono accelerati a velocità supersoniche durante il passaggio attraverso l'ugello principale. I gas in movimento veloce producono spinta e rumore assordante.

 
Avevamo bisogno di un modo per misurare i principali parametri di prestazione del SL-2 da una postazione di test remota, con la possibilità di osservarli in tempo reale nel caso in cui il test avesse avuto bisogno di essere fermato o fossero state necessarie modifiche manuali.

 
Per alcune grandezze misurate, avevamo solo bisogno di conoscere il valore massimo/minimo, ad esempio per la temperatura della parete della camera, mentre altre cambiavano con una frequenza elevata, come la pressione della camera di combustione. Era anche importante che i dati provenienti da diversi sensori fossero sincronizzati nel tempo: in questo modo potevamo individuare ciò che causava anomalie nel comportamento del motore, come i cambiamenti nelle letture del livello dell'ossidante dovuti all'aumento della pressione nel serbatoio.

L'intera sequenza di test era controllata dal nostro computer di bordo e dal suo software integrato. Il test consisteva nel riempire il serbatoio di ossigeno liquido e raffreddare le tubazioni, pressurizzare il sistema, bruciare per 5 secondi, svuotare, scaricare l'ossidante residuo e infine scaldare. Durante i test, ci siamo concentrati principalmente sull'analisi di quei 5 secondi in cui il motore era in funzione.

Il setup per la misura delle prestazioni

Il nostro setup di misura consisteva in due sistemi DAQ Dewesoft, un SIRIUS ed un KRYPTON, , collegati in serie per ottenere un numero sufficiente di canali. I dispositivi erano collegati a un laptop tramite un cavo Ethernet da 100 m. I nostri test richiedevano l'acquisizione di una serie di parametri fisici e quindi l'uso di diversi tipi di sensori.

Trasduttori di Pressione

Ci sono diversi metodi per misurare la pressione: quello capacitivo, ottico, piezoelettrico, ecc. In questo caso, è stato utilizzato un trasduttore piezoresistivo industriale. Un amplificatore integrato a microprocessore rileva i cambiamenti di resistenza del sensore ceramico e li converte in un'uscita di corrente standard da 4 a 20 mA. Il trasduttore è collegato al sistema DAQ SIRIUS tramite uno DSI shunt di corrente esterno da 50 ohm.

Termocoppie

Le termocoppie sono semplici sensori di temperatura composti da due diversi conduttori elettrici che formano un giunto elettrico. Producono una tensione dipendente dalla temperatura che viene rilevata dal dispositivo DAQ e convertita in temperatura. Sono ampiamente utilizzate in vari settori grazie al loro basso costo, alla possibilità di sostituzione, alla vasta gamma di misurazione e alla bassa massa termica.

Strain gauges

Gli sono dispositivi utilizzati per misurare la deformazione di un oggetto. Di solito sono fissati alla superficie con un adesivo e si deformano insieme alla superficie, modificando la resistenza dell'estensimetro. Con un'adeguata calibrazione, possono essere utilizzati efficacemente per misurare la forza e sono quindi comunemente usati nelle celle di carico, nei sensori di forza e nelle bilance.

Sensore di livello capacitivo

Per misurare il livello di ossigeno liquido nel serbatoio durante il riempimento e il funzionamento del motore, abbiamo sviluppato un sensore di livello capacitivo che può funzionare in un ambiente criogenico e ossidante. È costituito da due tubi concentrici in acciaio inossidabile, immersi nell'ossigeno liquido. L'aumento o la diminuzione del livello del liquido viene registrato dal processore come una variazione di capacità elettrica e convertito in un segnale PWM. Questo segnale è stato poi analizzato con la tecnologia Dewesoft Supercounter per determinare il ciclo di lavoro e convertirlo nel livello del liquido.

L'analisi delle prestazioni del motore

I dati misurati hanno fornito la base per un'analisi approfondita dei fattori chiave delle prestazioni che caratterizzano il comportamento del motore a razzo.

Analisi della spinta

Per misurare la spinta e il disallineamento della spinta, la camera di combustione è stata montata su una piastra di misura. Un estensimetro è stato collegato a ciascun lato delle quattro travi metalliche, ottenendo quattro configurazioni a mezzo ponte.

Tutti e quattro i canali sono stati collegati all'amplificatore a ponte interno al Sirius di Dewesoft e sommati per ottenere la spinta totale.

Questa configurazione ci ha permesso di misurare anche le forze laterali, che possono essere utilizzate per determinare il disallineamento dell'ugello o per caratterizzare il sistema di controllo del vettore di spinta, se utilizzato.

I due parametri più importanti che siamo riusciti a ricavare dai dati raccolti sono stati:

• Il tempo fino alla spinta nominale: è importante per ottenere un'elevata accelerazione iniziale del razzo.

• L'impulso totale - questo parametro è legato all'altitudine finale raggiunta dal razzo.

Analisi della pressione della camera di combustione

Un trasduttore di pressione è stato collegato direttamente alla camera di combustione per monitorare la pressione interna. Lo scopo è quello di osservare le instabilità della combustione (oscillazioni), l'efficienza del carburante e potenziali problemi come il blocco dell'ugello. In questo caso, abbiamo notato due distinte instabilità di combustione, una a bassa frequenza e una ad alta frequenza, che si sono rese evidenti grazie alle proprietà acustiche della camera di combustione.

Analisi della regolazione della pressione

Il serbatoio di ossigeno liquido è stato pressurizzato con un serbatoio esterno ad alta pressione. Per ottenere una pressione costante dell'ossidante, abbiamo sviluppato un sistema di regolazione attiva. Esso utilizza una valvola motorizzata, un trasduttore di pressione e un controllore PID. Il sensore di pressione è stato collegato in parallelo al Sirius per l'acquisizione dei dati per la post-analisi.

Gestione termica della camera di combustione

Per determinare l'efficacia dell'isolamento termico della camera, quattro termocoppie di tipo K sono state fissate lungo la lunghezza della superficie esterna della camera di combustione e collegate ad un Krypton Dewesoft. Le temperature sono state monitorate durante il funzionamento del motore ed alcuni minuti dopo per determinare il trasferimento di calore ritardato. Abbiamo concluso che l'isolamento interno esistente funzionava perfettamente, in quanto le temperature delle pareti non hanno mai superato i 40°C.

Conclusioni

Sono molti i fattori che contribuiscono al comportamento dei motori a razzo. Devono essere misurati ed ottimizzati attraverso diversi test per ottenere un funzionamento stabile, affidabile ed efficiente per il loro successivo utilizzo nei veicoli in volo. Inoltre, riteniamo che, se c'è una cosa di cui ci si deve fidare in qualsiasi attività di ricerca e sviluppo industriale, è la strumentazione di misura. Poiché le nostre misure si svolgono in loco, era importante che l'hardware fosse robusto ed adatto non solo all'uso in laboratorio.

Nel nostro caso, l'hardware e il software Dewesoft si sono dimostrati non solo affidabili ma anche incredibilmente versatili: con piccole modifiche abbiamo potuto utilizzare praticamente qualsiasi sensore disponibile. Una volta che i membri del nostro team hanno acquisito un po' di familiarità con il software Dewesoft, hanno scoperto che è molto ricco di caratteristiche e funzioni, pur rimanendo chiaro e lineare.