Progetti

Lanciatore bistadio ad alimentazione incrociata

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Analisi di un lanciatore bistadio simile al progetto del Falcon Heavy progetto dell’azienda SpaceX. L’architettura del primo stadio prevede tre serbatoi, dotati di combustibile e ossidante liquidi. Questi sono in grado di comunicare tra loro tramite valvole e pompe ad alimentazione incrociata (cross-feed).
Il cross-feed è un tipo di tecnologia da sempre presente nella progettazione di serbatoi aeronautici, volto all’attivazione dei serbatoi ausiliari. Appare come una soluzione quasi del tutto inedita in ambito spaziale.

Modello del lanciatore

Il modello analizzato si può schematizzare come un lanciatore a due stadi. Il primo stadio è costituito da tre serbatoi che alimentano 9 motori a testa e lavorano in parallelo. Il secondo stadio è costituito da un serbatoio che alimenta un unico motore.
Peculiarità del modello è il cross-feed nel primo stadio che permette l’alimentazione dei motori centrali da parte del propellente liquido dei serbatoi laterali.
Questa modifica suddivide quindi in due fasi il primo stadio:

  • una prima fase di funzionamento in parallelo dei tre gruppi di motori con travaso di combustibile dai serbatoi laterali a quello centrale;
  • una seconda fase di distacco dei due serbatoi laterali esausti con il solo utilizzo del serbatoio centrale pieno.

Utilizzando la formula di Tsiolkowsky, si possono calcolare le performance di un sistema bistadio con cross-feed rispetto ad uno equivalente privato del cross-feed.

cross-feed

Alimentazione incrociata

Questo tipo di configurazione comporta un considerevole aumento del delta-v rispetto ad un equivalente lanciatore a tre stadi. Tuttavia esistono numerose problematiche tecniche alla sua realizzazione.

Dato che il sistema si applica a stadi paralleli tra loro si deve considerare che la sezione frontale del lanciatore aumenta sensibilmente portando ad un conseguente aumento della resistenza aerodinamica. In particolare, si noti come solitamente si utilizzano dei booster dalle dimensioni inferiori o simili allo stadio centrale. Il termine di resistenza aerodinamica può facilmente raddoppiare o triplicare.

Per attuare l’alimentazione incrociata è necessario far fluire propellente dai booster laterali allo stadio centrale. Questo comporta la progettazione e la costruzione di turbopompe in
grado di garantire portate estremamente elevate. Le turbopompe sono una delle componenti più fragili e complicate in un sistema a propellente liquido. Questo aspetto di fatto costituisce la limitazione principale per la realizzazione di tali sistemi.

Throttle-down e cross-feed

Una delle innovazioni più grandi del Falcon heavy era quella della capacità di alimentazione incrociata (cross-feed). Il lanciatore era stato progettato in maniera tale che il propellente sarebbe potuto passare dai booster allo stadio centrale per alimentare alcuni o tutti i motori dello stadio centrale. Così facendo al momento della separazione si chiudono le linee di alimentazione e si ricollegano i motori con i serbatoi dello stadio centrale. Il lanciatore continua nella sua traiettoria con lo stadio centrale quasi pieno di propellente.

Data la complessità tecnica nel realizzare tale soluzione, SpaceX ha preferito adottare una strategia differente: quella del Throttle-Down. Tale strategia prevede che al momento del lancio tutti i 27 motori funzionino al massimo della spinta. Dopo aver raggiunto una determinata quota si abbassa la manetta dei motori dello stadio centrale. Si produce cosi il minimo della spinta possibile, mentre vengono mantenuti al 112% i motori dei booster. Al momento della separazione i motori dello stadio centrale aumentano la spinta. Si consuma quindi la restante parte di propellente che era stata “risparmiata” durante la fase di Throttle-Down.

Clicca qui sotto per scaricare la relazione completa del progetto.

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