Le instabilità di combustione nei motori a razzo

In tutti i programmi sperimentali, durante il progetto e quindi i test dei comuni propulsori spaziali a razzo, è possibile che si verifichino dei fenomeni chiamati instabilità di combustione. Essi sono di molteplice natura, tuttora solo in parte prevedibile e spiegabile, associati al propulsore nel suo complesso, oppure al propellente o a parti del propulsore.

In sostanza la stabilità di un endoreattore è la capacità di recuperare il suo normale funzionamento una volta perturbato per diversi motivi. Essendo il processo di combustione fortemente non stazionario (grandezze termodinamiche che variano grandemente nello spazio e nel tempo) può quindi spesso accadere che le fluttuazioni possano interagire con le frequenze proprie del sistema, causando potenzialmente risonanze e quindi rotture irreparabili. Questo è tuttavia un caso estremo dell’instabilità di combustione.

Globalmente si può chiamare “levigata” una combustione in cui la pressione della camera di combustione non abbia fluttuazioni sopra un valore di soglia convenzionale (solitamente del 5%), mentre “ruvida” se le fluttuazioni sono sopra il valore di soglia. Le fluttuazioni del valore della pressione della camera di combustione hanno dei picchi che possono smorzarsi, mantenersi o aumentare nel tempo. E’ facile capire le conseguenze di queste situazioni che portano, in ogni caso, al fallimento della missione propulsiva.

Fermo restando l’indicazione di instabilità quando la combustione è “ruvida”, si divide il fenomeno in base alla frequenza:

• le instabilità di bassa frequenza sono caratterizzate da frequenze da 10 a 500 Hz;
• le instabilità di media frequenza sono caratterizzate da frequenze da 500 a 1000 Hz;
• le instabilità di alta frequenza sono caratterizzate da frequenze da 1000 Hz.

Instabilità di bassa frequenza

Queste possono avvenire per delle risonanze in corrispondenza delle frequenze proprie delle tubature delle linee di alimentazione e della struttura del motore, spesso per la sua elasticità. Si genera quindi un moto vibrante pulsato longitudinale , chiamato effetto pogo per il suo carattere pulsato in una direzione precisa. L’effetto pogo è controllabile inserendo degli appositi accumulatori chiamati appunto Pogo, parzialmente riempiti di gas, sulle linee di alimentazione di propellenti ad elevata densità. Sullo Space Shuttle accumulatori pogo sono posti sulla linea dell’ossigeno liquido, più denso dell’idrogeno. Come poi non ricordare lo spegnimento del motore centrale del secondo stadio del razzo Saturn V durante la missione Apollo XIII, proprio dovuto a instabilità pogo di bassa frequenza.

Instabilità di media frequenza

Sono solitamente i precursori temporali delle instabilità di alta frequenza, anche se sono state introdotte per suddividere il campo di frequenze tra le alte e le basse frequenze.

Instabilità di alta frequenza

Sono quelle più pericolose, aventi un contenuto energetico notevolmente maggiore delle prime, dovute all’accoppiamento tra le proprietà acustiche della camera di combustione e le frequenze dei vari fenomeni connessi alla propulsione, come iniezione o miscelamento del propellente, combustione, etc… Sono caratterizzate da vari modi di vibrare, longitudinali o trasversali rispetto alla camera di combustione. I più pericolosi sono i modi trasversali, che si dividono in tangenziali e radiali. Queste classificazioni riflettono le direzioni dei gradienti delle variabili in gioco (pressioni, velocità), ossia le direzioni delle loro variazioni.

Per eliminare la pericolosità che la variazione delle proprietà termodinamiche possa entrare in conflitto o risonanza con la camera, potenzialmente portando la combustione ad arrestarsi o addirittura ad esplosione, sono state ideate diverse tecniche:

• l’utilizzo di deviatori, chiamati baffles, sulla testata di iniezione, che determinano il ricircolo dei gas che vengono quindi parzialmente riorganizzati in quella zona di camera di combustione. Ad esempio un baffle con deviatori a cerchio con raggi blocca le instabilità trasversali, agendo sulle direzioni del flusso (testata di iniezione degli SSME o del LEM, ad esempio)

• l’utilizzo di smorzatori acustici chiamati di Helmoltz, che fanno dissipare energia al fluido in maniera viscosa, agendo come delle piccole cavità in tutta la camera di combustione. Le fluttuazioni quindi sono notevolmente smorzate, soprattutto quelle longitudinali.

Le instabilità sono presenti sia nei propulsori a propellente liquido sia nei solidi, sebbene nel caso di solidi con alto contenuto di alluminio, come nella attuali mescole per lanciatori (SRB, boosters di Ariane, di HII,…), siano praticamente scomparse. Le tecniche esposte sopra assicurano che in fase di utilizzo non si instaurino fenomeni distruttivi dovuti a instabilità, che resta tuttavia un notevole motivo di test specifiici durante il progetto di nuovi endoreattori.

Immagine: Sutton - Rocket propulsion elements

Ho trovato anche un’altra foto interessante (magari piacerà ad Astroteo )

Grandissimo Beppe!
Un ottima spiegazione di quei complicatissimi fenomeni che avvengono nei propulsori spaziali in fase di sperimentazione! :pace:

Se non sbaglio le onde di risonanza sono generate anche dalla combustione stessa del propellente (che altro non è che un’esplosione continua). Questa genera parecchie onde d’urto che se non propriamente assorbite o smaltite, tendono a rimbalzare da una parte all’altra della camera di combustione, intensificando in zone particolari, temperature altissime! Queste possono provocare arresti del motore anticipati o esplosioni vere e proprie!

Beppe!!! E’ ora che scrivi un libro!!! Hai un sacco di lettori garantiti! [-o<
Io sono uno di quelli!!!

Interessantissimo.
A quali tipi di problematiche sono soggetti i razzi ibridi come quello della SpaceShipOne?

Un saluto
Quaoar

No no, sulla propulsione non sono un esperto, non è il mio campo!!

I propulsori ibridi non hanno dimostrato fino ad ora instabilità di tipo distruttivo, ossia instabilità ad alta frequenza che portino ad un aborto della missione con distruzione del mezzo. Questo perchè non si sono quasi mai viste delle instabilità di tipo trasversale alla camera di combustione. Sono comunque state rilevate instabilità longitudinali che vengono sia evitate con dei test sul tipo di alimentazione e accumulatori pogo, sia con la nota pre-camera di combustione, che, insieme alla post-camera, caratterizza gli ibridi. Non saprei entrare nel merito dei test per il motore di Space Ship One, penso siano tenuti ben in segreto

Ciò non toglie che l’esplosione che causava tre morti e tre feriti gravi verificatasi il 26 luglio 2007, deve per forza essere dovuta a questo tipo di instabilità. Naturalmente… se prendiamo per buona l’affermazione di Burt Rutan:“The accident occurred during a test of the flow of nitrous oxide through an injector in the course of testing components for a new rocket motor for the SpaceShipTwo. The chemical was at room temperature and under pressure.”. Quindi senza alcun cambiamento rispetto ai test precedenti.

Ma per gettare un pò di luce in questa faccenda che è rimasta abbastanza misteriosa (forse troppo…) non sarebbe male valutare le parole di Burt pronunciate a caldo subito dopo l’incidente:"“That’s a big hit. We have developed 39 airplanes out in Mojave since 1974. We’ve done a lot of very dangerous flight tests, we’ve done a lot of very dangerous ground tests, and this is our first injury,” he said. “To lose three people, and to have three people in critical condition in the hospital, it’s just an absolutely enormous hit.”

E’ evidente che i test in volo a cui si riferisce Burt riguardano principalmente i velivoli da record e da corsa a cominciare dal Voyager che nel 1976 fece il giro del mondo senza scalo e senza rifornimento, ma i test al suolo possono riferirsi solo alla nuova attività spaziale e questo significa che i propulsori se i componenti sono stati provati anche con miscele combustibili ad alto coefficiente di pericolosità. Probabilmente la presenza di Glen May, che era un esperto a tutto campo di propulsori a razzo, che era una delle tre vittime, era dovuta proprio a questa esigenza.

Quella sopra è la mia opinione personale.

In realtà sembra sia stato appurato che l’esplosione è avvenuta 3s dopo che era iniziato il trasferimento dell’ossido di azoto dall’MCS (mobile conditioning system) verso il serbatoio posizionato nel “test stand”.
Attualmente c’è in atto un’inchiesta del Cal/OSHA (California Division of Occupational Safety and Health Administration) che dovrà indicare se incriminare la Scaled a livello civile e/o penale e che per il momento ha sanzionato la Scale con una multa da oltre 28 mila dollari "for failing to provide “effective information and training of the health and physical hazards associated with nitrous oxide.”. Il Cal/OSHA ha inoltre constatato altre violazioni incluse la mancanza di manutenzione adeguata sul luogo dell’incidente e una netta carenza del personale operativo ai test sul trattamento e il maneggio di materiali pericolosi.

Non credo che l’episodio sia riconducibile in alcun modo a fenomeni di instabilità, come hai scritto sopra il test riguardava il flusso di propellente negli iniettori e non c’era nessuna accensione. Per cui credo che, come verificato dalla prima inchiesta, il problema è stato provocato o coadiuvato dalla mancanza di misure adeguate e conoscenza adeguata nella gestione e nell’handling delle sostanze utilizzate non in fenomeni di instabilità durante un’accensione che non è mai avvenuta, o che almeno non doveva avvenire…

Senza dubbio sto sbagliando, ma i miei sospetti derivano dal fatto che le caratteristiche chimiche dell’N2O non sono (o non sembrano…) tali da creare disastri del genere. Le fotografie del sito dove si è verificata l’esplosione mostravano i segni di una devastazione totale e questo mal si concilia con i 3s di flusso prima dell’esplosione, anche perchè dalle foto si vedeva che l’MCS era integro ed inoltre gli ispettori dell’ente che ha fatto le indagini sull’accaduto hanno rinvenute intatte sul posto altre 10000 lbs di N2O nei suoi contenitori da 390 lbs a 70°F.

In più. Con le lacune sulla sicurezza che il Cal/OSHA ha riscontrato è stata comminata alla Scaled Composites un’ammenda di (soli…) 28750 , cioè 9583.3 periodico per ogni vittima. Certo l’iter giudiziario è ancora in corso ma Mojave non è in Campania è negli Stati Uniti e quando là gli enti ufficiali sono clementi quasi sempre gatta ci cova (leggi: per caso la Northrop Corp. che ha da poco acquistato tutta la baracca non è che ci ha messo lo zampino in qualche modo? Magari fornendo i consulenti?..)

In ogni caso i miei sospetti hanno poco valore, ciò che conta sono le notizie ufficiali e queste dicono che il Cal/OSHA e il District Attorney Office della Kern County, ovvero la procura competente, hanno accettato a tutti gli effetti che la causa dell’esplosione è dovuta ad un problema nel trasferimento dell’N2O.

Anche se io al posto loro avrei cercato un pò meglio…

Hallo,AJ
Non è che sapresti indicarmi un testo a livello universitario che tratti le equazioni
della combustione nei razzi?
La faccenda delle instabilità nel processo a frequenze di migliaia di Hertz,mi interessa…
Così mi mantengo un pò in allenamento con la matematica (io ho fatto elettronica al politecnico ma
l’aerospaziale mi ha sempre interessato,oltre alla fisica in generale)

Sutton - Rocket propulsion elements (lingua inglese). Il testo migliore che tratta gli endoreattori.
Se volessi roba in italiano scrivimi via PM

Bene,grazie partirò da questo testo e mi guarderò un po’ attorno.