Ricostruzione della distribuzione di carburante all’interno di serbatoi criogenici tramite tecniche di tomografia capacitiva = Reconstruction of fuel distribution inside cryogenic tanks using capacitive tomography techniques

Questa tesi si occupa di analizzare con un approccio pratico, l’efficacia dell’implementazione della tomografia elettrica capacitiva (ECT) per monitorare la distribuzione del carburante criogenico nei serbatoi di stadi di lanciatori che operano in condizioni di microgravità. Nella propulsione spaziale, infatti, i carburanti criogenici, come idrogeno e ossigeno liquido, sono ampiamente utilizzati per via della loro elevata densità energetica e proprietà di combustione. Tuttavia, il loro stoccaggio presenta numerose sfide e richiede tecnologie molto avanzate per mantenere i fluidi a temperature basse e garantire una distribuzione uniforme del carburante all’interno dei serbatoi. In un ambiente con assenza di peso, infatti, le accelerazioni causate dalle numerose accensioni e spegnimenti dei propulsori portano a una fluttuazione casuale del fluido, che è presente in due fasi, e alla formazione di fenomeni di cavitazione che posso essere dannosi per il serbatoio, portare a instabilità e, talvolta, possono avere risvolti catastrofici. A differenza di metodi più tradizionali e meno precisi che misurano direttamente massa o pressione, la tomografia capacitiva rappresenta un’importante opportunità tecnologica per il monitoraggio dei carburanti criogenici, poiché è in grado di restituire informazioni tridimensionali sulla distribuzione del fluido all’interno del serbatoio, senza influenzarne la dinamica grazie alla sua natura non invasiva. La migliore comprensione delle dinamiche di distribuzione del carburante permette di monitorare la presenza di bolle o di zone di vuoto, fornendo una maggiore affidabilità e sicurezza per il funzionamento del sistema di propulsione satellitare. La tesi presenta una prima parte teorica in cui si è effettuata un’analisi della letteratura, andando a introdurre la tecnologia e fornendo una panoramica sui componenti e sul suo funzionamento. Vengono poi descritti i sensori e si va ad analizzare una possibile soluzione al problema della presenza della capacità parassita, ovvero l’implementazione dei sensori differenziali, discutendone vantaggi e svantaggi. Nella seconda parte della tesi si va a studiare il caso in esame con un approccio che integra la simulazione mediante un modello semplificato su Ansys e l’implementazione di uno script su Matlab basato sull’algoritmo di linear back projection per la ricostruzione dell’immagine e l’analisi dei risultati.