Retropropulsione supersonica per atterraggi su Marte: effetto del rapporto di espansione sul campo di moto = Supersonic retropropulsion for Mars landings: effect of the expansion ratio on the flowfield

Il notevole interesse verso i viaggi interplanetari e in particolare la prospettiva del consumo totale delle risorse presenti sulla Terra che ha portato negli ultimi anni ad una sempre maggiore richiesta di soluzioni che permettano l’atterraggio su pianeti come Marte trasportando un payload umano, con il conseguente notevole aumento di carico che esso comporta, ha reso necessaria la ricerca di soluzioni alternative per l’atterraggio. In particolare la principale soluzione adottata fino ad oggi, ancora recentemente con l’atterraggio della sonda Perseverance della NASA all’inizio dell’anno corrente ed in futuro con il progetto EXOMARS 2022, basata interamente sullo sfruttamento della resistenza aerodinamica del veicolo stesso e di ausili come paracaduti per decelerare da velocità ipersoniche a velocità subsoniche risulta certamente insufficiente per una futura missione umana proprio a causa del notevole incremento di peso che la presenza di esseri umani comporta, inoltre proprio la presenza di payload umano rende necessario un notevole incremento del livello di sicurezza e la minimizzazione delle incertezze relative all’atterraggio. Sarà obiettivo di questo lavoro quello di analizzare una delle possibili alternative in particolare quella della retropropulsione supersonica (SPR-Supersonic Retro-Propulsion) e la sua interazione con l’aerodinamica del cosiddetto blunt body. Nella prima parte della trattazione verranno fornite nozioni base sullo stato dell’arte, cioè su quali siano i metodi fino ad ora utilizzati per l’approccio all’atterraggio (sistemi EDL-Entry, Descent and Landing) in atmosfera marziana nello specifico mettendoli a confronto sia in termini di vantaggi che in termini di problematiche e limiti riscontrati; si procederà poi con una trattazione teorica generale sia sull’aerodinamica che sulla retropropulsione vera e propria oltre che un accenno ai modelli matematici utilizzati per la descrizione del fenomeno. Infine si giungerà all’obiettivo principale di questa tesi cioè all’analisi tramite il software CFD Star-Ccm+ di una configurazione a single nozzle assialsimmetrica e al confronto con i risultati sperimentali ottenuti presso il NASA Langley Research Center nel 2010. Il modello in esame verrà analizzato, nello specifico, utilizzando griglie con raffinamento diverso e sia nel caso laminare che in quello turbolento (tramite i modelli di turbolenza k-ω e Spalart-Allmaras).