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Innovative propellants in hybrid propulsion technology and its applications in space transportation

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Sistema di propulsione basato su razzi ibridi per prestazioni economiche e potenziate

I propellenti dei razzi tradizionali si presentano nello stato liquido o solido. Un gruppo di scienziati finanziato dall''UE ha condotto importanti studi sperimentali e teorici finalizzati al potenziamento delle prestazioni e all''abbattimento dei costi mediante l''utilizzo di un sistema di propulsione ibrido.

Tecnologie industriali

Entrambi i tipi di propellenti si basano sulla combustione, o bruciatura in presenza di ossigeno, finalizzata alla produzione di gas caldi. L''uscita forzata di queste sostanze dal retro del razzo "spinge" in avanti il dispositivo, proprio come recita la terza legge di Newton sul moto. In tale contesto, gli scienziati hanno tentato di migliorare lo status quo grazie ai finanziamenti stanziati dall''UE per il progetto ORPHEE ("Innovative propellants in hybrid propulsion technology and its applications in space transportation"). I razzi ibridi bruciano un combustibile solido in presenza di un ossidante liquido. Il primo presenta il vantaggio della semplicità e dei costi contenuti, mentre il secondo rende possibile un controllo del flusso regolabile (strozzatura), garantendo una manovra più precisa e un''inserzione orbitale più sicura. Le precedenti proposte in termini di razzi ibridi sono state incentrate sull''aumento della superficie di combustione ai fini del raggiungimento delle prestazioni ambite, che ha causato, tuttavia, un accrescimento indesiderato del peso e del volume. Il progetto ORPHEE ha tentato di ottimizzare l''indice di regressione dei combustibili solidi, ovvero la velocità di recessione del solido durante la combustione. Tale aumento condurrà a una riduzione del volume dei grani dei combustibili solidi migliorando, in tal modo, il rendimento. I ricercatori hanno studiato tre applicazioni selezionate, ovvero fasi superiori ibride, moduli di atterraggio sulla Luna o su Marte e potenziatori di prima fase. Gli scienziati si sono dapprima dedicati alla caratterizzazione dei combustibili candidati per ciascuna applicazione basata sull''utilizzo di esperimenti di combustione su scala ridotta. In seguito all''ampliamento di scala del processo, nuove scoperte nell''ambito delle proprietà meccaniche dei grani dei combustibili hanno condotto ad adattamenti produttivi in grado di determinare un miglioramento qualitativo significativo. Nel corso dell''ultimo anno del progetto, sono state sviluppate nuove formulazioni con l''aggiunta di polveri metalliche, allo scopo di aumentare il valore dell''indice di regressione dei combustibili solidi. Le prove al fuoco non hanno dimostrato gli aumenti attesi dell''indice di regressione osservati su scale più ridotte. Tuttavia, tali studi hanno reso possibile l''inclusione di parametri chiave influenzati da un aumento di scala dei numerosi modelli numerici sviluppati. Queste conoscenze dovrebbero rivelarsi particolarmente importanti nell''ambito di studi di progettazione futuri. Gli scienziati hanno progettato i dimostratori per le tre applicazioni, conducendo studi preliminari di dinamica computazionale dei fluidi (CFD). È stata inoltre predisposta, sulla base dei risultati dell''iniziativa ORPHEE, una tabella di marcia relativa alle tecnologie ibride. Nel lungo termine, il progetto avrà senza dubbio un impatto importante sulla sostenibilità e sulla competitività del programma spaziale europeo.

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