Ottimizzazione multidisciplinare per il design del motore e della traiettoria di un terzo stadio a propellenti ibridi = Multidisciplinary optimization for the engine and trajectory design of a hybrid-propellant third stage

Il recente aumento dell’utilizzo di piccoli lanciatori per missioni dedicate a satelliti di piccole dimensioni ha condotto all’incremento dell’impiego di motori a propellenti ibridi. Questa tipologia di endoreattori, infatti, si dimostra estremamente adatta ad essere utilizzata negli stadi superiori. Il motivo risiede nella capacità di coniugare la compattezza strutturale tipica degli endoreattori a propellenti solidi, necessaria nei piccoli lanciatori, e la possibilità di regolazione della spinta tipica degli endoreattori a propellenti liquidi, caratteristica fondamentale per effettuare manovre di inserimento in orbita, che richiedono un elevato livello di accuratezza. In aggiunta a ciò, il basso costo, la sicurezza, l’affidabilità e l’uso di propellenti che riducono l’impatto ambientale incentivano il loro sviluppo. Sulla base di questa premessa, lo scopo del lavoro di tesi è la massimizzazione del payload di un terzo e ultimo stadio a propellenti ibridi, che si propone di sostituire il terzo stadio a propellenti solidi e il quarto a propellenti liquidi di un piccolo lanciatore basato sul lanciatore europeo Vega. Il processo di ottimizzazione è svolto mediante un codice sviluppato dal Politecnico di Torino, che fornisce il design ottimizzato del motore (attraverso metodi diretti), massimizzandone le prestazioni, e della traiettoria (attraverso metodi indiretti), minimizzando le perdite di velocità. L’approccio adottato prevede un’ottimizzazione iniziale condotta considerando singolarmente i parametri di progetto, per valutare la loro influenza sulle diverse grandezze, per poi aumentare il numero di parametri oggetto di ottimizzazione. Successivamente, al fine di ottenere una soluzione valida dal punto di vista pratico, è stato inserito un vincolo sull’accelerazione massima, dettato da esigenze strutturali. Infine, è stato aggiunto un secondo vincolo sul diametro massimo della sezione di uscita dell’ugello, al fine di sfruttare al meglio l’ingombro trasversale disponibile per il terzo stadio. I risultati mostrano che il limite imposto sull’accelerazione massima produce una riduzione della spinta media, determinando un aumento del Δv propulsivo, con conseguente incremento del propellente necessario e un limitato guadagno in termini di carico utile. D’altra parte, si dimostra il beneficio dell’aumento del rapporto di espansione dell’ugello, evidenziando delle criticità nella stima della massa dell’ugello da parte della relativa formula di interpolazione per alti valori del rapporto di espansione iniziale.