Sviluppo di un software per la progettazione di una pompa ad emissione parziale che alimenta un motore a razzo a propellenti ibridi = Developing of a Design Software for Barske-Type Pump in Electric Feed System of Hybrid-Propellant Rocket Engine

Da diversi decenni negli endoreattori, i metodi utilizzati per pressurizzare i propellenti prima che raggiungano la camera di combustione si basano sull’impiego di turbo-pompe o gas pressurizzato. Tuttavia, in virtù dei progressi tecnologici degli ultimi 10 anni in materia di motori elettrici e batterie, è possibile pensare allo sviluppo di sistemi di pressurizzazione che sfruttino delle pompe elettriche. In generale, un motore a razzo pump-fed offre diversi vantaggi rispetto a un sistema pressure-fed. Utilizzare una pompa per aumentare la pressione dei propellenti permette di mantenere la pressione operativa massima attesa del serbatoio (MEOP) molto più bassa. Ciò comporta un serbatoio con uno spessore inferiore e, di conseguenza, una massa ridotta rappresentando un duplice vantaggio in termini di prestazioni e, per le missioni con equipaggio, di sicurezza. Tuttavia, un sistema pump-fed è caratterizzato da una maggiore complessità e introduce nuovi componenti che aumentano la massa totale e, non meno importante, potrebbero rivelarsi una causa di guasto del sistema. Un motore electric-pump-fed con una singola pompa richiede un inverter, un motore elettrico e un pacco batterie. Tutti questi componenti non solo hanno masse non trascurabili, ma necessitano anche di un sistema di raffreddamento, spesso fatto con il propellente, e di una distribuzione omogenea di tutti i componenti all’interno della struttura del razzo, il che non è banale. Maggiore è la portata massica richiesta dal motore e maggiore è la potenza richiesta dalla pompa; per questo motivo, se una pompa elettrica garantisce una soluzione più semplice rispetto a una turbo-pompa in termini di progettazione e produzione, per motori di grandi dimensioni un sistema di pressurizzazione a turbo-pompa diventa l’unica soluzione disponibile. È evidente che la soluzione ideale dipende fortemente dal profilo di missione e un’analisi più accurata è necessaria per comprendere quale sistema di alimentazione sia più adatto. In questo documento verrà analizzata una soluzione di pressurizzazione per motori chimici, in particolare, si tratterà una pompa elettrica non convenzionale per la pressurizzazione dell’ossidante di un motore ibrido. Verrà posta enfasi sul design fluidodinamico, studiando una pompa centrifuga non convenzionale che fu inventata per la prima volta dal Dr. Ing. U. M. Barske negli anni ’60: la pompa ad emissione parziale "Barske Pump". L’obiettivo del lavoro svolto verge allo sviluppo di uno strumento che renda più agile e veloce il processo di design, evitando l’utilizzo di simulazioni numeriche, spesso molto dispendiose. Attraverso una profonda ricerca bibliografica è stato quindi sviluppato uno script Python che permette di ricavare i parametri geometrici della pompa partendo dai requisiti di progetto. Essendo dotato di interfaccia grafica, questo script permette di valutare in maniera rapida ed efficace la bontà del design calcolato e, se necessario, di modificarne alcuni aspetti mostrando la loro influenza sulle prestazioni finali teoriche della pompa. Le prestazioni teoriche sono poi state confrontate con i risultati di test sperimentali che hanno quindi contribuito allo sviluppo di una versione migliorata del software.