Gasdinamica di sistemi propulsivi

Research topics

• IPERVELOCITA' (acceleratori a gas leggero)
• FLUSSI SUPERSONICI E IPERSONICI AD ALTA ENTALPIA
• COMBUSTIONE IN FLUSSI AD ALTA VELOCITA'

Research purposes and applications

IPERVELOCITA'

• Fusione nucleare: alimentazione di tokamak
• Impatti per studio di materiali e protezioni
• Sviluppo di scudi per satelliti

PROPULSIONE AERONAUTICA PER ALTE VELOCITA'

• Sviluppo e prova di modelli in scala ridotta di propulsori "air-breathing" per applicazioni aerospaziali (ramjets, scramjets, RBCC), in condizioni di volo fino a Mach 7
• Studio e ottimizzazione della post-combustione di scarichi di motori a razzo
• Incremento dell' impulso specifico dei lanciatori durante la fase atmosferica della traiettoria o velivoli supersonici o ipersonici

Studi su propulsori aeronautici per alte velocità

Le orbite terrestri sono attualmente raggiunte con velivoli spinti da motori a razzo (endoreattori). Durante le prime fasi del volo vengono spesso usati simultaneamente motori a propellente solido e a idrogeno/ossigeno. I principali vantaggi di questi propulsori risiedono nella loro relativa semplicità e nel fatto che sono in grado di generare spinta a tutte le velocità, con o senza la presenza di atmosfera. Il maggiore svantaggio è che devono trasportare fino dall' inizio della missione tutto l'ossidante necessario alla propulsione, con penalizzazione per il carico pagante. Da questo punto di vista sono quindi consigliabili sistemi propulsivi combinati, che si comportino come esoreattori durante il volo atmosferico, e come endoreattori nella parte finale della traiettoria di messa in orbita. Una soluzione promettente consiste nell' uso di endoreattori durante la prima fase dell' accelerazione. All'aumentare della velocità viene catturata aria dall' atmosfera e mischiata allo scarico del motore (ricco di combustibile) per ottenere aumenti di spinta (post-combustione). Durante le fasi supersonica ed ipersonica del volo atmosferico tutto l'ossigeno necessario potrebbe essere catturato dall' ambiente (funzionamento in modalità ramjet o scramjet). Fuori dall'atmosfera, il motore tornerebbe ad operare come endoreattore puro. Questo schema di propulsione è noto come "Rocket Based Combined Cycles" (RBCC).
Al CNR-IENI a Milano è stato realizzato un tunnel pulsato basato su un compressore rapido a pistone libero da 100 litri (6 m di lunghezza, 152 mm di diametro) per studi su RBCC (fig. 1). L' impianto permette la simulazione di condizioni di volo fino a Mach 7 per tempi dell' ordine 0.02 - 0.2 secondi. La camera di prova è incorporata in un serbatoio a vuoto del volume di 22000 litri, ed è sufficientemente ampia da contenere modelli in scala ridotta di motori coi relativi sistemi di alimentazione e diagnostici (fig. 2). La caratterizzazione della sezione di prova è completa (profili di Mach, pressione e temperatura) per numeri di Mach da 3 a 7 (fig. 3 e 4).
L' aerodinamica interna ed esterna di modelli in scala ridotta e componenti di propulsori "air-breathing" basati su motori a razzo (RBCC) viene anche studiata numericamente mediante codici 3-D, in grado di fornire mappe complete di grandezze termo - fluidodinamiche, concentrazioni delle specie chimiche, forze agenti sulle pareti del modello (spinta, resistenza, portanza, momenti). Questi calcoli sono utili sia nella progettazione dei prototipi che nella valutazione dei risultati sperimentali.

Sviluppo di acceleratori a gas leggero

Gli acceleratori a gas leggero sono macchine che sfruttano le proprietà dei gas leggeri (alte velocità del suono) per accelerare proiettili ad alte velocità (ipervelocità, ordine di parecchi Km/s). Questi strumenti possono essere utilizzati come iniettori di combustibili criogenici (ad es., deuterio) in macchine per studi sulla fusione nucleare (tokamak "fuelling"), o come acceleratori di piccoli proiettili per collaudare protezioni di satelliti contro l' impatto di detriti spaziali o, ancora, per studiare proprietà meccaniche di metalli e leghe.
Un acceleratore a doppio stadio a gas leggero, originariamente sviluppato per iniettare combustibile in macchine per lo studio della fusione nucleare, è stato modificato per accelerare piccoli proiettili ad alte velocità (possibilmente sopra i 10 Km/s) e studiarne l' impatto su bersagli diversi (fig. 5). La versione a due stadi è stata ottimizzata per proiettili di 4 mm di diametro ed ha prodotto velocità fino a 5.9 Km/s. Per il lancio di proiettili più piccoli è stata invece sviluppata una versione a tre stadi, con la quale proiettili di polietilene con massa di circa 5 mg vengono normalmente accelerati a 8-9 Km/s (fig. 6). In diverse occasioni si sono superati i 9.5 Km/s (fig. 7). La velocità dei proiettili è valutata con metodi ottici e usata per pilotare la sorgente luminosa (nanolamp, con impulso da 20 nanosecondi) utilizzata per le foto controluce. Questo consente alta precisione e foto ben definite di proiettili anche molto veloci.

Selection of published papers

• Reggiori A., Carlevaro R., Riva G., Daminelli G.B., Scaramuzzi F., Frattolillo A., Martinis L., Cardoni P., and Mori L.,"High Speed Pellet Injection with a Two-Stage Pneumatic Gun", paper presented at the 34th National Symposium of the American Vacuum Society, Anahaim, CA, 2-6 November 1987. J.Vac.Sci.Technol. A 6(4) Jul/Aug 1988
• Reggiori A., Riva G., Daminelli G.B., Frattolillo A., Martinis L., and Scaramuzzi L.,"Solid Deuterium Pellet Injection with a Two-Stage Pneumatic Gun", paper presented at the 35th National Symposium of the American Vacuum Society, Atlanta, October 1988. J.Vac.Sci.Technol. A 7(3), May/June 1989
• Reggiori A., Riva G., Daminelli G.B., "Improved Two-Stage Gun for Pellet Injection", 15th Symposium on Fusion Technology, Utrecht, The Netherlands, September 19-23, 1988. Fusion Technology 1988, A.M. Van Ingen, A.Nijsen, H.T. Klipper (editors), Elsevier Science Publishers B.V., 1989
• Riva G. and Reggiori A., "Modeling of Pellet Acceleration by Two-Stage Gun", Fusion Technology, Vol. 15, N. 2 (1), pp. 143-153, March 1989
• Daminelli G.B., Frattolillo A., Martinis L., Migliori S., Reggiori A., Riva G., and Scaramuzzi F., "Injection of High Speed Solid Deuterium Pellets in the FTU", Energia Nucleare, anno 6, n. 3, Settembre-Dicembre 1989
• Riva G. and Reggiori A., "Modeling of Low-Acceleration Two-Stage Guns for Tokamak Refueling", Fusion Technology, Vol. 21, N. 1, pp. 31-40, January 1992
• Riva G., Daminelli G.B., and Reggiori A., "Hydrogen Autoignition and Combustion in Supersonic Flow at Low Equivalence Ratio", AIAA Journal of Propulsion and Power, Vol. 13, N° 4, p. 532-537, August 1997
• Riva G., Reggiori A., and Daminelli G.B., "High Temperature Hydrogen Supply Technique for Supersonic Combustion Pulse Facility" , Proceedings of the XIII ISABE, Chattanooga, Tennessee, USA, Vol. 1, p. 357-365, September 1997
• Reggiori A., Riva G., and Daminelli G.B., "A Method for Evaluating the Combustion Efficiency in Direct Connect Supersonic Combustion Pulse Facilities". Proceedings of the 22nd International Symposium on Shock Waves (ISSW-22), p. 291-296, London, UK, July 18 - 23, 1999
• Riva G., Reggiori A., and Daminelli G.B., "Development of a Pulse Facility at CNR-TeMPE for Studies on Rocket Based Combined Cycles", Proceedings of the 23rd International Symposium on Shock Waves (ISSW-23), p. 579-585, Fort Worth, Texas, USA. July 22-27, 2001
• Riva Giulio, Reggiori Adolfo, Daminelli Giambattista, "A New Pulse Facility for Studies on Rocket Based Combined Cycles", paper presented at the 55th International Astronautical Congress - Vancouver, Canada, October 4-8, 2004. Also, Space Technology, Vol. 25, N. 2, 2005
• Riva G., Reggiori A., Daminelli G., "Hypersonic Inlet Studies for a Small-Scale Rocket-Based Combined-Cycle Engine", AIAA Journal of Propulsion and Power, Vol. 23, N° 6, p. 1160-1167. November-December 2007

Collaborations

• Universita' di Brescia
• Universita' di Bergamo
• Politecnico di Milano

Contatti

• Dr. Giulio Riva, tel. +39 02 66173 291
• Giambattista Daminelli, tel. +39 02 66173 290
• Prof. Adolfo Reggiori (associato), tel. +39 02 66173 292