Sviluppo dell'interfaccia per il caricamento della geometria iniziale del propellente solido di un modello balistico

Il presente lavoro di tesi, nell’ambito della simulazione balistica di razzi a propellente solido, è volto alla creazione di un’interfaccia che permetta il caricamento delle geometrie dei motori desiderati, in formato SPP, nel codice di simulazione balistica ROBOOST come richiesto da Avio Spa. In particolare saranno descritte le procedure attraverso le quali tale interfaccia è stata realizzata e verranno analizzati i passaggi mediante i quali è possibile ottenere una mesh 3D del motore a propellente solido partendo dalla sua geometria in formato SPP. Si analizzerà inoltre il processo di chiusura di una mesh estratta da una qualsiasi iterazione della simulazione al fine di potervi effettuare delle simulazioni CFD sempre su richiesta della sopracitata azienda. Infine verranno mostrati e discussi i risultati ottenuti per meglio visualizzare il lavoro svolto.

Solid rocket motor nozzles /

"...written by Russell A. Ellis."

Modellazione Tridimensionale del Processo di Combustione di un Razzo a Propellente Solido

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.

Solid propellant processing factors in rocket motor design.

At head of title: NASA space vehicle design criteria (chemical propulsion).

Analysis of the main phenomena affecting solid rocket motors internal ballistics

In solid rocket motors, the absence of combustion controllability and the large amount of financial resources involved in full-scale firing tests, increase the importance of numerical simulations in order to asses stringent mission thrust requirements and evaluate the influence of thrust chamber phenomena affecting the grain combustion. Among those phenomena, grain local defects (propellant casting inclusions and debondings), combustion heat accumulation involving pressure peaks (Friedman Curl effect), and case-insulating thermal protection material ablation affect thrust prediction in terms of not negligible deviations with respect to the nominal expected trace. Most of the recent models have proposed a simplified treatment to the problem using empirical corrective functions, with the disadvantages of not fully understanding the physical dynamics and thus of not obtaining predictive results for different configurations of solid rocket motors in a boundary conditions-varied scenario. This work is aimed to introduce different mathematical approaches to model, analyze, and predict the abovementioned phenomena, presenting a detailed physical interpretation based on existing SRMs configurations. Internal ballistics predictions are obtained with an in-house simulation software, where the adoption of a dynamic three-dimensional triangular mesh together with advanced computer graphics methods, allows the previous target to be reached. Numerical procedures are explained in detail. Simulation results are carried out and discussed based on experimental data.

TG studies of a composite solid rocket propellant based on HTPB-binder

Thermal decomposition kinetics of solid rocket propellants based on hydroxyl-terminated polybutadiene-HTPB binder was studied by applying the Arrhenius and Flynn-Wall-Ozawa's methods. The thermal decomposition data of the propellant samples were analyzed by thermogravimetric analysis (TG/DTG) at different heating rates in the temperature range of 300-1200 K. TG curves showed that the thermal degradation occurred in three main stages regardless of the plasticizer (DOA) raw material, the partial HTPB/IPDI binder and the total ammonium perchlorate decompositions. The kinetic parameters E-a (activation energy) and A (pre-exponential factor) and the compensation parameter (S-p) were determined. The apparent activation energies obtained from different methods showed a very good agreement.

Solid rocket thrust vector control.

Cover title.

Captive-fired testing of solid rocket motors

Cover title.

Final report on development and fabrication of high strength simulated rocket motor cases by cryogenic stretch forming process. Technical documentary report nr. AFML-TR-64-410.

"MM Project nr. 8-101."

Organizational maintenance manual (including repair parts and special tools lists) : 2.75-inch low spin, folding fin aircraft rockets, 66-mm light antitank weapon systems, 3.5-inch rockets, and M3A2E1 rocket motor (JATO).

"June 1973."

Direct support and general support maintenance manual (including repair parts and special tools list) for 2.75-inch low spin, folding fin aircraft rockets, 66-mm light antitank weapon systems, 3.5-inch rockets and M3A2E1 rocket motor (JATO).

"August 1974."

Organizational maintenance manual (including repair parts and special tools lists) : 2.75-inch low spin, folding fin aircraft rockets, 66-mm light antitank weapon systems, 3.5-inch rockets, and M3A2E1 rocket motor (JATO).

"June 1973."

Acúmulo de cargas elétricas em propelente sólido compósito com matriz de polibutadieno líquido hidroxilado

Composite solid propellants prepared with HTPB prepolymer - Hydroxyl Terminated Polybutadiene, AP - Ammonium Perchlorate as oxidizer and aluminum particles as an additive metal, have characteristics of high electrical resistivity. The loading process of the polymer matrix did not obtain homogeneity, resulting in clusters, mainly of metal particles. The effect of clustering in the composite was studied and observed experimentally, and this effect was one of the factors explaining the phenomenon of electrical charging of the composite. This electrical potential, when discharged abruptly, can generate an electric spark with sufficient energy for sustained ignition of a solid rocket motor.

Studio dell'effetto di Hump in un motore a solido in piccola scala con metodi di produzione di punzonatura e colaggio

L’oggetto di questo elaborato riguarda lo studio prestazionale di un Solid Rocket Motor mediante l’introduzione del fattore di “Hump”, che va a compensare il discostamento tra il profilo delle pressioni sperimentali e teoriche, cercando di legare tali variazioni a spiegazioni fisiche. In particolare andremo ad investigare, all’interno di due differenti tipologie di colata, quale sia l’effetto predominante all’interno del propellente che genera proprio tali discostamenti della pressione, e quindi della spinta, rispetto alla condizione ideale. Nell’elaborato verranno anzitutto presentate le diverse tipologie di propulsori, i loro singoli componenti, i parametri fondamentali che regolano la meccanica di questa tipologia di motori, le tipologie di grain esistenti e le loro caratteristiche. Successivamente descriveremo le BARIA (Bomb ARIAne), usate per i test del grain nella ditta AVIO s.p.a., e le tipologie di riempimento di questo motore, investigando i fenomeni fisici a cui sarà legato l’effetto di “Hump”. In seguito si descriverà il fattore di “Hump”, evidenziando, per le differenti tipologie di riempimento, i fenomeni fisici a cui sarà legato il discostamento tra le pressioni sperimentali e teoriche. Verranno poi descritti i programmi utilizzati, gli script in Matlab prodotti, al fine di ottenere le mappe relative all’orientazione ed alla concentrazione delle particelle, da introdurre nel simulatore. Infine verranno esposti i risultati ottenuti e confrontati con i dati sperimentali forniti dalla ditta AVIO s.p.a., le conclusioni e gli sviluppi futuri.

Integrating open source codes for solid modeling and automatic mesh generation in FEM applications

The applications of the Finite Element Method (FEM) for three-dimensional domains are already well documented in the framework of Computational Electromagnetics. However, despite the power and reliability of this technique for solving partial differential equations, there are only a few examples of open source codes available and dedicated to the solid modeling and automatic constrained tetrahedralization, which are the most time consuming steps in a typical three-dimensional FEM simulation. Besides, these open source codes are usually developed separately by distinct software teams, and even under conflicting specifications. In this paper, we describe an experiment of open source code integration for solid modeling and automatic mesh generation. The integration strategy and techniques are discussed, and examples and performance results are given, specially for complicated and irregular volumes which are not simply connected. © 2011 IEEE.