Valutazione delle forze agenti su ugelli di endoreattori a propellente solido durante la fase di accensione

1 1 Introduzione In questo lavoro si andranno a valutare l’entità e l’andamento delle forze, assiali e laterali (side loads), agenti su ugelli di endoreattori a propellente solido, durante la fase di avvio. Lo studio delle forze laterali riveste interesse in quanto esse possono essere dannose per l’integrità strutturale dell’effusore e possono anche rappresentare una perdita consistente per la spinta. La presenza di forze di questo tipo è stata rilevata sperimentalmente, sia in tests con gas caldo su ugelli di dimensioni reali che in tests in cui si è utilizzato gas freddo su ugelli in scala, durante le fasi di accensione e spegnimento e in condizioni di funzionamento in regime sovraespanso. Lo studio delle forze laterali si è concentrato finora soprattutto nel campo degli endoreattori a propellente liquido. In questo caso si ha un fenomeno complesso e non stazionario, studiato per la prima volta già negli anni ’60. I primi studi hanno indicato nella separazione asimmetrica dello strato limite, che ha luogo nel divergente in condizione di sovraespansione, la causa principale del fenomeno. Negli anni ’70 [3] è stato evidenziato invece come la nascita dei side loads principalmente sia correlata, piuttosto che alla separazione asimmetrica, ad un riattacco asimmetrico del flusso in seguito alla transizione tra diverse tipologie di separazione, quali la FSS (free shock separation) e la RSS (restricted shock separation); successivamente la loro origine è stata attribuita a più cause e diversi modelli negli anni sono stati introdotti per la valutazione di questi carichi leterali, ma tuttora rimane un fenomeno ancora non completamente spiegato anche se, quello che sostanzialmente si considera, è una evoluzione asimmetrica della pressione a parete responsabile dell’insorgere di queste forze. La maggior parte degli studi eseguiti finora è stata condotta considerando una successione di stati stazionari del flusso ed ha riguardato principalmente endoreattori a propellente liquido, vista la durata dei funzionamenti in regime transitorio (2÷5 sec.) di questi motori. La fenomenologia che porta alla generazione di forze laterali sulle pareti di ugelli di endoreattori a propellente solido è alquanto diversa a causa della durata inferiore (0.1÷0.2 sec.) del funzionamento transitorio rispetto a quelli a liquido. Nonostante le diversità, il problema è ugualmente importante per i motori a solido: in questo contesto si inserisce il presente lavoro in cui, attraverso un’analisi transitoria dell’evoluzione del flusso nella fase di avvio, si andrà a valutare le forze agenti su ugelli di endoreattore a propellente solido durante l’accensione, il cui impiego è notevole, soprattutto in vista del prossimo lancio di Vega dove tre dei quattro stadi che lo compongono sono a propellente solido. Infatti l’obbiettivo di questo studio è valutare le forze agenti sull’ugello di Zefiro 9, terzo stadio a solido di Vega, durante la sua accensione: per il calcolo dei carichi laterali è introdotto un modello la cui idea di base è che un’asimmetria di scollamento del setto posto