Modellazione Tridimensionale del Processo di Combustione di un Razzo a Propellente Solido
Tridimensional Modeling of Solid Rocket Motor Combustion Process
Creators: name: Bertacin, Roberto <1982>
Publisher: name: Alma Mater Studiorum - Università di Bologna
Year: 2013
Subjects: ING-IND/08 Macchine a fluido

description: La regolazione dei sistemi di propulsione a razzo a propellente solido (Solid Rocket Motors) ha da sempre rappresentato una delle principali problematiche legate a questa tipologia di motori. L’assenza di un qualsiasi genere di controllo diretto del processo di combustione del grano solido, fa si che la previsione  della balistica interna rappresenti da sempre il principale strumento utilizzato sia per definire in fase di progetto la configurazione ottimale del motore, sia per analizzare le eventuali anomalie riscontrate in ambito sperimentale. Variazioni locali nella struttura del propellente, difettosità interne o eterogeneità nelle condizioni di camera posso dare origine ad alterazioni del rateo locale di combustione del propellente e conseguentemente a profili di pressione e di spinta sperimentali differenti da quelli previsti per via teorica. Molti dei codici attualmente in uso offrono un approccio piuttosto semplificato al problema, facendo per lo più ricorso a fattori  correttivi (fattori HUMP) semi-empirici, senza tuttavia andare a ricostruire in maniera più realistica le eterogeneità di prestazione del propellente.
Questo lavoro di tesi vuole dunque proporre un nuovo approccio alla previsione numerica delle prestazioni dei sistemi a propellente solido, attraverso la realizzazione di un nuovo codice di simulazione, denominato ROBOOST (ROcket BOOst Simulation Tool). Richiamando concetti e techiche proprie della Computer Grafica, questo nuovo codice è in grado di ricostruire in processo di regressione superficiale del grano in maniera puntuale, attraverso l’utilizzo di una mesh triangolare mobile. Variazioni locali del rateo di combustione  posso quindi essere facilmente riprodotte ed il calcolo della balistica interna avviene mediante l’accoppiamento di un modello 0D non-stazionario e di uno 1D quasi-stazionario. L’attività è stata svolta in collaborazione con l’azienda Avio Space Division e il nuovo codice è stato implementato con successo sul motore Zefiro 9.
description: The regulation of propulsive performance in solid rocket motors is one of the biggest difficulties related to this type of space systems. The absence of any direct mechanism for controlling the combustion of solid propellant makes the prevision of internal ballistics the main tool adopted not only in defining grain configuration but also in reconstructing burning rate anisotropies.
Local variations in grain composition, heterogeneities or surface imperfections can generate unexpected alterations in pressure profiles and consequently in thrust performance. Most of recent models propose a simplified approach to the problem, by using semi-empirical corrective functions known as HUMP factors which, however, cannot fully describe the spatial anisotropies inside the propellant volume. 
This work aims to present a new approach to the numerical prevision of SRMs performances  and a new simulation code, named ROBOOST (Rocket Boost Simulation Tool), has been developed at that regard. Borrowing concepts and techniques from Computer Graphics, the code is able to reproduce the burning surface regression in a Lagrangian way, using a moving discrete triangle mesh to describe the grain volume. Spatial heterogeneities in local burn-rate values can be easily implemented and the solution of the chamber fluid-dynamics is achieved by coupling a 0D unsteady internal ballistic model and a 1D quasi-steady one. 
The activity has been carried on in collaboration with the Avio Space Division company and the new code has been successfully tested on the Zefiro 9 SRM. In parallel, a numerical analysis of solid propellant burning characteristics has been undertaken, in order to evaluate all possible conditioning elements and to implement them within simulation runs.