HRE100K IL NOSTRO PRIMO MOTORE A RAZZO (ENDOREATTORE) IBRIDO

Hybrid Rocket Engine 100K ( in breve, HRE100K) è il nome del progetto su cui Skyward Experimental Rocketry sta attualmente lavorando, al fine di sviluppare il miglior motore per Rocksanne II-X. Il motore deve il suo soprannome al fatto che è stato progettato per raggiungere un impulso totale di 100,000Ns, che porterà Rocksanne ad oltre 10 km di altezza: HRE100K dovrà infatti spingere un razzo alto 7 metri, con un diametro esterno di circa 22 centimetri.

Il motore darà un contributo critico ad uno degli obiettivi principali di Skyward: progettare, costruire e lanciare un razzo che raggiungerà il vecchio record di 12,5 chilometri in apogeo. Per finire, allo stato attuale delle cose, HRE100K è destinato ad essere ufficialmente il primo razzo ibrido costruito da un’associazione missilistica studentesca italiana.

Che cos’é?

Un motore a razzo ibrido è un tipo di endoreattore in cui i reagenti sono conservati in fasi differenti (nel nostro caso, il comburente è liquido e il combustibile solido). Il suo principio costitutivo segue la massima latina “In medio stat virtus”, poiché il motore ibrido gode dei benefici sia dei motori a razzo a propellente solido, sia di quelli a propellente liquido.

I classici componenti di un motore a razzo ibrido includono:

  • Un serbatoio per il comburente
  • Valvole tubi, ed altri elementi del sistema di alimentazione
  • Turbomacchine per il travaso, se non è in uso la configurazione di alimentazione a gravità
  • Un accenditore, o un sistema di accensione ipergolico
  • Un iniettore (che nebulizza l’ossidante nella camera di combustione)
  • Una camera di combustione, dove l’ossidante nebulizzato è acceso e reagisce con il combustibile solido
  • Un sistema di spinta vettoriale per controllare e correggere la traiettoria (ciò può essere coadiuvato da alette e/o altre superfici mobili)
  • Un ugello supersonico

Confrontato con un endoreattore a propellente solido, un ibrido fornisce un impulso specifico (Isp) più elevato, ed è inoltre più affidabile: poiché i reagenti chimici sono fisicamente separati, il sistema è meno soggetto a rischi di combustioni spontanee od esplosioni; inoltre, il motore è controllabile regolando la posizione di una valvola posta all’uscita del serbatoio dell’ossidante (solitamente tramite un servomotore controllato a distanza), cosicché la combustione possa essere arrestata (ad esempio in caso di missione interrotta) e persino riavviata.

Il principio primo che abbiamo sfruttato per la progettazione del motore è strettamente correlato alla rinomata equazione della spinta:

$$ T= \dot{m}u_e + A_e(p_e – p_a) $$

Difatti, un buona scelta per un parametro su cui iniziare a lavorare è la portata massica, che è strettamente legata alla velocità di regressione, ovvero la velocità con cui il combustibile solido è consumato nella camera di combustione, essa è descritta dall’equazione

$$ \dot{r}=aG^{n}x^{m} $$

Dove \( a \), \( n \) e \( m \) sono costanti che dipendono dal combustibile, \( G \) è il flusso massico totale di propellente e \( x \) è la distanza dalla cima del grano. La relazione tra portata massica e velocità di regressione è data da

$$ \dot{m}=\dot{m}_{ox} + \int_0^x \rho_{f}\pi d_{p}\dot{r}(x)dx $$

Dove \( d_p \) è il diametro della perforazione.

Semplificando un po’ le cose, per massimizzare la spinta, è necessario bruciare un propellente il più denso possibile nel più piccolo lasso di tempo: in questo modo, in virtù della terza legge di Newton, una discreta massa riceve una notevole accelerazione in una certa direzione dal motore (ovvero viene impressa una forza) e, per reazione, il motore riceve una forza con la stessa intensità e opposta in verso.

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Un serbatoio di 4 metri in alluminio, trattato lubricant-free, contiene circa 120l di N2O in un contenitore resistente a pressioni fino a 150bar.

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Una valvola servo-controllata in acciaio 316 porta l’ossidante nel nostro iniettore realizzato su misura in alluminio.

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3 Accenditori sono montati simmetricamente sulla testata.

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La combustione di N2O e una mistura di paraffina e SEBS, bruciando per 20 secondi, produce sufficiente spinta da raggiungere un impulso totale di 100.000Ns

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Il motore avrà un diametro esterno di 214mm e sarà lungo 80cm.

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Un ugello in fibra di carbonio e resina fenolica convoglia i gas di combustione sfruttando la loro energia per produrre 5000N di spinta media.