Conceptual design methodology and tools for the estimation of emissions from SABRE engine in rocket mode

La richiesta sempre maggiore di accesso allo spazio, guidata dalla costante crescita dell'economia spaziale, mostra la necessità di approciarsi a questo settore con una visione differente da quella utilizzata finora. Storicamente il settore spaziale ha sempre peseguito soluzioni tecnologiche che massimizzassero le prestazioni e minimizzassero i costi ma la crescente domanda di accesso allo spazio e gli obiettivi di molte politiche attuali pongono in primo piano un nuovo aspetto, l'impatto ambientale. Nuove soluzioni e strategie devono essere sviluppate per effettuare una stima delle emissioni sin dalle prime fasi di progetto, in modo tale da poter mitigare al massimo l'impatto delle tecnologie già in uso e in fase di sviluppo. Il presente lavoro intende sviluppare un database emissivo del SABRE nella sua modalità a endoreattore, applicando metodi di stima delle emissioni di NOx sviluppati nell'ambito dell'aviazione civile. Il SABRE è il sistema propulsivo e componente chiave dello SKYLON: si tratta di un motore in grado di operare in modalità air-breathing fino ad una quota di 25 km oltre la quale avviene la transizione alla modalità rocket. In entrambe le modalità utilizza l'idrogeno liquido come combustibile, mentre utilizza l'aria come ossidante nella fase air-breathing e l'ossigeno liquido per la fase rocket. Lo SKYLON è un velivolo a decollo e atterraggio orizzontale completamente riutilizzabile e, in quest'ottica, risulta essere una delle soluzioni più promettenti per il futuro. Prima di poter procedere con l'analisi delle emissioni di questo sistema propulsivo è necessario sviluppare il modello termodinamico del motore mediante il quale ottenere il database propulsivo. I risultati ottenuti fungeranno da input per l'analisi emissiva dalla quale si otterrà il medesimo database. La modellazione termodinamica del SABRE necessita di considerare tutti gli aspetti più importanti di questo motore in modo da rendere il database propulsivo, e di conseguerza quello emissivo, affidabili e attinenti alla realtà. In particolare, ricopre un ruolo di primaria importanza il ciclo rigenerativo dell'elio. Si tratta di una soluzione che permette di trasferire, all'interno del motore, ingenti quantità di energia che vengono utilizzate per alimentare i componenti presenti o per rigenerare altri circuiti interni, come quello dell'idrogeno. Una modellazione accurata del ciclo dell'elio è, quindi, di primaria importanza ed è ottenuta confrontando differenti modellazioni del gas nobile. L'analisi emissiva e la formazione del database sono ottenute considerando l'interazione della scia, ad alta energia che fuoriesce dal motore, con l'ambiente circostante. Infatti, lo SKYLON durante la modalità a endoreattore emette solamente vapor acqueo, idrogeno e ossigeno: per poter considerare l'impatto degli ossidi di azoto sull'ambiente è necessario analizzare l'interazione tra i gas esausti e l'atmosfera. All'interno del modello è previsto l'uso di Cantera, un software specifico in grado di effettuare un'accurata analisi sia della fase di mixing che dell'analisi della combustione in cinetica chimica mediante simulazioni 0D dipendenti dal tempo. Un ulteriore aspetto che questo lavoro intende indagare è la fase di rientro dello SKYLON che risulta essere altamente rilevante nella produzione di ossidi di azoto. Le temperature che si sviluppano durante il rientro sono sufficientemente elevate da ionizzare l'aria e le successive ricombinazioni tra gli atomi liberi di ossigeno e di azoto danno luogo agli ossidi di azoto.