Prima accensione per il motore dimostrativo europeo a combustione frazionata

Il primo test di un dimostratore a scala ridotta di un motore a razzo a combustione frazionata ha avuto luogo nel centro di ricerca DLR tedesco di Lampoldshausen, in Germania. Lo sviluppo di questa tecnologia fa parte del Programma per futuri lanciatori dell’Agenzia Spaziale Europea (Next Generation Launchers, NGL).

Uno degli sviluppi tecnologici necessari per la prossima generazione di veicoli da lancio europei è la progettazione del motore primario, in quanto i motori europei maggiormente performanti - come il Vulcain di Ariane 5 - stanno raggiungendo il massimo di spinta e prestazioni ottenibili.
Un obiettivo del programma per futuri lanciatori (FLPP, Future Launchers Preparatory Programme) dell’ESA è lo sviluppo di nuove tecnologie per i propulsori di nuova generazione. I test di queste settimane fanno riferimento a propulsori in regime di combustione frazionata.

I propulsori a propellente liquido possono infatti essere classificati in cicli aperti o cicli chiusi, in funzione di come producono i gas che mettono in moto le turbine, che a loro volta permettono il trasferimento di ossidante e combustibile in camera di combustione. L’esperienza dell’Europa è stata rivolta principalmente a motori a combustione aperta - come il Vulcain - e in motori a ciclo chiuso ad espansione - come il motore Vinci di Ariane 5 (in fase di test).

Le ricerche attuali sono orientate allo sviluppo di tecnologie di propulsione a ciclo chiuso a combustione frazionata. Esempi di motori a combustione frazionata sono i motori principali dello Space Shuttle (SSME, Space Shuttle Main Engines). Questo perchè le prestazioni di un propulsore con generatore di gas (come il Vulcain) in termini di Impulso specifico ponderale sono intrinsecamente limitate, mentre nel caso della combustione frazionata aumentano considerevolmente con la pressione di combustione: l’ottenimento di migliori prestazioni avviene grazie all’utilizzo di pre-camere di combustione a pressione molto maggiore della pressione della camera principale.

Con gli aumenti di Impulso specifico sarà anche possibile ridurre la quantità di propellente (l’impulso specifico è la spinta sulla portata ponderale di propellente consumato), riducendo di conseguenza le dimensioni e la massa del veicolo di lancio.

Per quanto riguarda i propellenti si pensa di analizzare in futuro la possibilità offerta da idrocarburi, come il metano liquido: sebbene questo contenga meno energia specifica rispetto all’Idrogeno liquido, l’alta densità e la potenziale inferiore richiesta di storabilità potrebbero ridurre massa e dimensioni dei serbatoi.

Il recente test presso il centro DLR di Lampoldshausen ha comportato l’accensione di un piccolo propulsore a idrogeno a combustione frazionata. Dei test che utilizzino metano come propellente assieme all’ossigeno liquido sono in fase di preparazione.

I test del programma ESA-FLPP sono gestiti da un consorzio di aziende come Snecma (Francia), Avio (Italia) e Astrium (Germania) e si avvalgono dei centri ESA e DLR come appoggio ai test.

Credits: ESA and Wikipedia

Grazie AJ!!!
Domandina: dove posso trovare informazioni in più sul NGL e FLPP?

Qui

Quella pagina la conoscevo già però non c’è scritto molto. Non mi pare ci siano dei link ad altre pagine informative (magari più approfondite), oppure sono invorni… ehm “poco attento” io e non le ho viste. . .

Purtroppo non ho trovato altri link. Progetti di ricerca come questo non sono molto pubblicizzati da ESA…
Conto nella collaborazione di altri forumisti

Avrei due domande da sottoporvi.
Scusate l’ignoranza, ma cosa si intende per combustione frazionata?
E poi, una curiosità: a che punto sono i test sul propulsore Vinci?

Come ho tentato grossolamente di spiegare nell’articolo: l’ottenimento di migliori prestazioni avviene grazie all’utilizzo di pre-camere di combustione a pressione molto maggiore della pressione della camera principale. Dalla pre-camera di combustione scaturisce il concetto di “frazionamento” della combustione. La pre-camera solitamente ha pressioni molto maggiori della camera vera e propria, che ha volumi maggiori. Alcuni esempi:

• in Zenit-primo stadio oppure nei boosters di Energia (motore RD-170) i precombustori avevano pressioni di 550 atmosfere.
• negli SSME la camera principale è a 210 atm, mentre i due precombustori lavorano a 400 atm.

Non so nulla di preciso: dei test se ne occupa la francese Snecma, che da inizio 2007 ha iniziato un’ulteriore fase di test anche presso il medesimo centro DLR qui menzionato.

Scusatemi se insisto sull’argomento, ma sono curioso. L’impiego di pre-camere di combustione che lavorino a pressioni maggiori che cosa comporta?
Cioè, dal punto di vista pratico, quali sono i benefici?

Alcune informazioni sul Vinci al sito : http://www.snecma.com . L’ultimo test menzionato è di agosto 2007 ed ha comportato la riuscita della riaccensione del motore (“Premier essai de rallumage réussi pour le moteur Vinci”).

Il gas generato dalle pre-camere che ovviamente lavorano quantità di fluido inferiori alla camera principale, serve a mettere in movimento le turbine. Le turbine poi pomperanno il combustibile ed il comburente nella camera principale, in cui fluiranno i gas caldi. Il vantaggio sta nel fatto che la combustione, essendo chiusa, non comporta perdite come nella combustione aperta, con guadagni di anche il 5% di Impulso specifico. Un altro vantaggio delle elevate pressioni è il fatto che possano essere usati ugelli con alti rapporti di espansione, che portano a maggiori efficienze del sistema anche a basse quote.

Concordo. Da quello che conosco io, il normale ciclo di combustione (quello chiamato gas-generator, usato nella maggior parte dei motori ad alta potenza) prevede di spillare una piccola quantità di combustibile e comburente da far bruciare nel generatore di gas per azionare le turbine che pompano i propellenti in camera di combustione. La cosa fondamentale è che, in questo ciclo, gli esausti (leggi gas combusti) del gas-generator vengono dispersi nell’ambiente, anzichè finire in camera di combustione, e quindi non possono contribuire alla spinta totale del motore. Nel ciclo a combustione frazionata, al contrario, anche il combustibile e il comburente parzialmente combusti (scusate il gioco di parole) contribuiscono alla spinta totale, quindi si elimina il difetto principale del ciclo a generatore di gas: quello di “sprecare” propellente per azionare le turbine del motore. Ho semplificato parecchio, ma credo che renda l’idea.

[edit] posto l’immagine di wikipedia relativa al ciclo gas-generator in modo da poterla confrontare con quella di AJ (della combustione frazionata) nel primo post

Grazie mille dei chiarimenti!!!