Analisi del Synergetic Air-Breathing Rocket Engine in modalità esoreattore = Analysis of the Synergetic Air-Breathing Rocket Engine in air-breathing mode

Nella tesi si analizza una possibilità per regolare il funzionamento durante la sua fase air-breathing di un motore ibrido a turborazzo preraffreddato con circuito ad elio, chiamato SABRE (Synergetic Air-Breathing Rocket Engine), che verrà installato nel prossimo futuro sul velivolo SSTO Skylon. Il motore è composto da un core engine e da dei ramjet disposti intorno ad esso. L'aria entra nella presa a spina prominente: parte di essa passa attraverso uno scambiatore di calore (precooler) e va a finire nel compressore del core engine, per poi finire in camera di combustione e venire infine espulsa attraverso l'ugello convergente-divergente. La restante parte dell'aria passa attraverso i ramjet disposti intorno al core e quindi attraverso degli ugelli convergenti, per ottenere della spinta extra dall'aria entrante in esubero rispetto al punto di progetto. I due parametri liberi controllati dalle manette sono la portata di elio circolante nel circuito di scambio del precooler e la temperatura dei gas combusti dopo la combustione in camera principale, che si tradurrebbe nella portata di idrogeno immessa in detta camera, entrambe normalizzate rispetto al loro valore di progetto. La quantità di idrogeno immesso nel ramjet viene tenuta più bassa possibile per continuare la combustione nel ramjet durante l'ascesa senza un eccessivo aumento di peso del sistema di alimentazione dell'idrogeno, bloccando così un possibile terzo parametro libero. Dopo aver passato in rassegna i pro e i contro di tutti i tipi di motori che potrebbero assolvere il compito di portare in orbita un SSTO, si analizza il funzionamento a progetto di questo tipo di motore, per trovare le temperature e le pressioni operative del core, che opera scambiando il calore accumulato dall'aria entrante a Mach 5 verso l'idrogeno criogenico, e le prestazioni specifiche a progetto, che prescindono dalle dimensioni del motore. Si analizza anche il funzionamento fuori progetto, durante cui entrano in azione i ramjet. Durante lo studio di questa fase si fanno variare i parametri liberi, ma non le condizioni di volo di quota e numero di Mach. Si guarda pure il comportamento del motore nel caso in cui si mantengano le manette al massimo, cioè al valore di progetto, ma si facciano variare le condizioni di volo come previsto dalla traiettoria di ascesa ideale. Si guarda infine il comportamento del motore dovuto alla regolazione delle manette durante la traiettoria di ascesa ideale.