IT202100001439A1 - Motore a razzo a doppia modalità di funzionamento e metodo di funzionamento di detto motore - Google Patents

Description

?Motore a razzo a doppia modalit? di funzionamento e metodo di funzionamento di detto motore?

DESCRIZIONE

[0001] La presente invenzione riguarda un motore a razzo, preferibilmente per l?impiego in un veicolo di lancio, ed un metodo di funzionamento di tale motore a razzo.

[0002] La riutilizzabilit? ? una tematica particolarmente sentita nel settore astronautico. I veicoli di lancio sono notoriamente macchine molto complesse, le cui risorse produttive sia temporali che economiche sono sempre considerevoli. La riduzione dei costi di accesso allo spazio ? principalmente limitata dalla possibilit? di riutilizzo dei veicoli. Sfortunatamente i vincoli fisici a cui essi sono soggetti rendono fortemente limitante l?utilizzo di sistemi vari di recupero. Le due sfide principali che vengono poste sono principalmente la penalizzazione di massa ed i margini di sicurezza per le operazioni. Risolvere queste due sfide cambierebbe sostanzialmente il volo spaziale rendendo voli quotidiani la norma, remunerativa la produzione di elementi in orbita, lo sfruttamento di risorse, il turismo, l?esplorazione scientifica ed il trasporto di merci e persone, analogamente a quanto l?aviazione ha fatto nel 900?.

[0003] La penalizzazione di massa rappresenta un ostacolo all?adozione di tecnologie per il riutilizzo dei veicoli. Ogni kg in orbita sottost? alla legge di Tsiolkovsky che moltiplica il fabbisogno complessivo di carburante dalle 15 alle 40 volte. Ragioni di sicurezza, inoltre, impongono che le operazioni vengano conseguite solo in luoghi estremamente isolati, vincolando i tempi delle operazioni e i luoghi a strettissime finestre, assolutamente inadeguate per le frequenze di lancio auspicate nel prossimo futuro.

[0004] Ad oggi le tre metodologie pi? utilizzate per il riutilizzo dei lanciatori sono rappresentate da sistemi di aero frenaggio (paracadute), dispositivi di portanza (superfici aerodinamiche) e rientro retro-propulsivo. I primi due dispositivi soffrono di problemi indotti dalla massa, gli elementi infatti rappresentano semplice peso morto durante il lancio, limitando fortemente il carico utile, oltre ad avere problemi relativi alla precisione di atterraggio. Il rientro retro-propulso, d?altro canto, riduce la penalizzazione di massa ma incrementa esponenzialmente i rischi associati alle operazioni. Ogni secondo in volo sono necessarie dalle centinaia alle migliaia di kg di carburante in pi? da caricare sul veicolo, per evitare la massa aggiuntiva viene quindi ridotto al minimo il carburante di bordo con conseguente annullamento dei margini di sicurezza in caso di anomalie o errori.

[0005] Il rientro retro-propulso nonostante la forte limitazione indotta dal fabbisogno di combustibili rimane la metodologia pi? efficiente in termini di hardware. L?architettura richiede infatti pochi o nessun altro sistema non utilizzabile durante il decollo, rispetto a paracaduti o ali che altrimenti sarebbero necessari.

[0006] Uno scopo generale della presente invenzione ? quello di mettere a disposizione un motore a razzo che consenta di risolvere o di ovviare almeno in parte agli inconvenienti sopra discussi con riferimento alla tecnica nota.

[0007] Uno scopo particolare della presente invenzione ? quello di mettere a disposizione un motore a razzo che consenta di ridurre il peso complessivo necessario al riutilizzo del veicolo in cui il motore ? installato e di aumentare i margini di sicurezza nelle operazioni di rientro del veicolo stesso rispetto alle soluzioni della tecnica nota.

[0008] Questi ed altri scopi sono raggiunti mediante un motore a razzo come definito nell?annessa rivendicazione 1 nella sua forma pi? generale e nelle rivendicazioni dipendenti in alcune forme di esecuzione particolari.

[0009] Forma oggetto della presente invenzione anche un sistema di propulsione come definito nella rivendicazione 10.

[0010] Forma oggetto della presente invenzione anche un lanciatore come definito nella rivendicazione 11.

[0011] Forma oggetto della presente invenzione anche un metodo di funzionamento di un motore a razzo come definito nella rivendicazione 12.

[0012] L?invenzione sar? meglio compresa dalla seguente descrizione dettagliata di sue forme di esecuzione, fatte a titolo esemplificativo e pertanto in nessun modo limitativo in relazione agli uniti disegni, in cui:

- Fig.1 mostra una vista piana schematica in sezione di un lanciatore secondo una forma di realizzazione attualmente preferita;

- Fig.2 mostra una vista piana schematica in sezione di un motore del lanciatore di Fig.1, il motore essendo rappresentato in una prima modalit? di funzionamento; - Fig.3 mostra una vista piana schematica in sezione lungo la linea A-A di Fig.2;

- Fig.4 mostra una vista piana schematica in sezione del motore di Fig.1, il motore essendo rappresentato in una prima configurazione operativa di una seconda modalit? di funzionamento;

- Fig.5 mostra una vista piana schematica in sezione lungo la linea B-B di Fig.4;

- Fig.6 mostra una vista piana schematica in sezione del motore di Fig.1, il motore essendo rappresentato in una seconda configurazione operativa della seconda modalit? di funzionamento;

- Fig.7 mostra una vista piana schematica in sezione lungo la linea C-C di Fig.6;

- Fig.8 mostra una vista prospettica di uno stadio di presa d?aria del motore di Fig.1, in cui alcuni elementi dello stadio di presa d?aria sono stati rimossi;

- Fig.9 mostra una vista piana in sezione dello stadio di presa d?aria di Fig.8;

- Fig.10 mostra vista piana schematica in sezione di un motore per il lanciatore di Fig.1 in accordo ad una seconda forma di realizzazione, tale motore essendo rappresentato in una prima modalit? di funzionamento; - Fig.11 mostra una vista piana schematica in sezione del motore di Fig.10, il motore essendo rappresentato in un primo stato operativo di una seconda modalit? di funzionamento;

- Fig.12 mostra una vista piana schematica in sezione del motore di Fig.10, il motore essendo rappresentato in un secondo stato operativo della seconda modalit? di funzionamento.

[0013] Nelle annesse figure elementi uguali o simili saranno indicati con gli stessi riferimenti numerici.

[0014] Facendo inizialmente riferimento alla Fig.1, in tale figura un lanciatore secondo una forma di realizzazione attualmente preferita ? stato globalmente indicato con il numero di riferimento 10. Il lanciatore 10 ? in particolare impiegato per inviare nello spazio un carico utile 11, il quale pu? consistere ad esempio e non limitativamente in astronauti, satelliti, sonde interplanetarie, moduli di rifornimento per le basi spaziali orbitanti, etc..

[0015] Il lanciatore 10 comprende un sistema di propulsione 15 includente un motore 1 a razzo secondo una forma di realizzazione attualmente preferita. Il sistema di propulsione 15 comprende inoltre un serbatoio 5 per il carburante ed un serbatoio 6 per il comburente che sono operativamente connessi al motore 1 a razzo. Il serbatoio 5 comprende un carburante F1, ad esempio e non limitativamente butano. Il serbatoio 6 comprende un comburente O1, ad esempio e non limitativamente perossido di idrogeno. In modo per s? noto i serbatoi 5 e 6 sono dei serbatoi pressurizzati. Tuttavia, in generale qualsiasi carburante liquido F1 e qualsiasi comburente liquido O1 adatti per l?impiego in un motore razzo possono essere impiegati per il funzionamento del motore 1, con prestazioni tanto migliori quanto pi? i carburanti F1 impiegati sono energetici. Il sistema di propulsione 15 comprende un sistema di raffreddamento (non rappresentato ma di tipo per s? noto e normalmente impiegato in un motore a razzo), per esempio un sistema di raffreddamento rigenerativo o evaporativo, atto a consentire il raffreddamento del motore 1 per portare la temperatura del motore 1 e dei relativi componenti a valori di lavoro accettabili. Il sistema di propulsione 15 comprende inoltre un sistema di pressurizzazione (non rappresentato ma di tipo per s? e normalmente impiegato in un motore a razzo) previsto per immettere il carburante F1 ed il comburente O1 nella camera di combustione 2 del motore 1. Il sistema di propulsione 15 comprende una valvola 51 del carburante operativamente interposta fra il serbatoio 5 ed il motore 1 per controllare l?immissione del carburante F1 nella camera di combustione 2 del motore 1. Il sistema di propulsione 15 comprende inoltre una valvola 61 del comburente operativamente interposta fra il serbatoio 6 ed il motore 1 per controllare l?immissione del comburente O1 nella camera di combustione 2 del motore 1.

[0016] Con riferimento alle Fig.2-7 ? mostrato il motore a razzo 1 in accordo ad una forma di realizzazione attualmente preferita. Il motore 1 a razzo comprende la suddetta camera di combustione 2 ed un ugello di scarico convergente-divergente comunicante con la camera di combustione 2 per consentire lo scarico dei gas di scarico EG1. Il motore 1 comprende inoltre un iniettore 21 per iniettare i propellenti (carburante F1 e comburente O1) nella camera di combustione 2. Come ? noto l?iniettore 21 consente l?atomizzazione dei propellenti F1,O1 e la loro miscelazione. L?iniettore 21 pu? essere di diverse tipologie, ad esempio e non limitativamente pintle, impinging, shower head, etc.. L?iniettore 21 ? ad ogni modo adatto ad essere riutilizzato una molteplicit? di volte, in particolare un numero indefinito di volte in modo da poter consentire il corretto funzionamento del motore 1. Il motore 1 comprende inoltre un elemento di accensione 22, o accenditore 22, per innescare la reazione di combustione.

[0017] Il motore a razzo 1 ? vantaggiosamente un motore a razzo modificato in modo da poter avere una doppia modalit? di funzionamento.

[0018] In particolare, con riferimento alle Figg.2-3, il motore 1 razzo in una prima modalit? di funzionamento ? adatto a funzionare come un normale motore a razzo.

[0019] Tuttavia, come sopra menzionato, il motore 1 a razzo ? un motore modificato rispetto ad un tradizionale motore a razzo in modo da poter funzionare anche in una seconda modalit? di funzionamento. A tale scopo, il motore a razzo 1 comprende vantaggiosamente almeno una presa d?aria 4 che ? disposta e configurata per consentire l?ingresso nella camera di combustione 2 di aria AX1 aspirata dall?atmosfera in modo tale da permettere al motore 1 di funzionare come pulsogetto nella suddetta seconda modalit? di funzionamento. In accordo ad una forma di realizzazione il lanciatore 10 pu? comprendere un condotto addizionale 16 (Fig.1) interposto fra l?almeno una presa d?aria 4 e l?esterno del lanciatore 10 in una posizione aerodinamicamente favorevole per consentire l?ingresso dell?aria AX1 in caso esso non fosse reso complicato dalla tenuta stagna dell?alloggiamento del motore 1. L?impiego del condotto 16 rappresenta un potenziale miglioramento al fine di migliorare la disponibilit? di ossigeno per la combustione e ridurre la perdita di pressione nella camera di combustione 2.

[0020] Sempre con riferimento alle Figg.2-3, in accordo ad una forma di realizzazione il motore 1 comprende uno stadio 3 di presa d?aria associato alla camera di combustione 2. Nelle Figg. 8-9 ? rappresentato lo stadio 3 di presa d?aria secondo una forma di realizzazione attualmente preferita in cui alcuni componenti mostrati ad esempio in Fig.3 sono stati rimossi. In accordo ad una forma di realizzazione lo stadio 3 di presa d?aria comprende un corpo principale 31-33 includente preferibilmente una porzione cilindrica 31 ed una coppia di flange di connessione 32,33 situate ad estremit? opposte della porzione cilindrica 31. Lo stadio 3 di presa d?aria comprende la suddetta almeno una presa d?aria 4 ed almeno una valvola di non ritorno 8 associata all?almeno una presa d?aria 4. Con riferimento alla Fig.3, in accordo ad una forma di realizzazione lo stadio 3 di presa d?aria comprende in particolare una pluralit? di prese d?aria 4, preferibilmente quattro prese d?aria 4, e una pluralit? di valvole 8 di non ritorno, preferibilmente quattro valvole 8 di non ritorno, associate ciascuna ad una rispettiva presa d?aria 4. In accordo ad una forma di realizzazione vantaggiosa, l?almeno una valvola 8 di non ritorno comprende almeno una valvola a petalo 8, la quale ? preferibilmente realizzata in metallo, pi? preferibilmente un metallo elastico con elevata tenuta delle propriet? elasticomeccaniche ad alta temperatura, quale ad esempio SS 17-7 PH. Con riferimento alle Figg.3 e 8-9, in accordo ad una forma di realizzazione, lo stadio 3 di presa d?aria comprende quattro valvole a petalo 8 che sono fissate ciascuna in corrispondenza di una rispettiva porzione di estremit? 81 al corpo principale 31-33. Preferibilmente ciascuna valvola 8 ? fissata al corpo principale 31-33 tramite una rispettiva coppia di bulloni 82. Nelle Figg.8-9 sono rappresentate solamente due valvole a petalo 8. In accordo ad una forma di realizzazione la regolazione della forza di apertura e della flessibilit? di ciascuna valvola a petalo 8 ? garantita regolando lo spessore della valvola 8 in corrispondenza della porzione di estremit? 81. Lo spessore di ciascuna valvola 8 a petalo in corrispondenza o in prossimit? della rispettiva presa d?aria 4 ? determinato invece dalla pressione della camera di combustione 2.

[0021] Con riferimento alle Figg.2-3, nella prima modalit? di funzionamento (motore a razzo) l?almeno una valvola di non ritorno 8 ? configurata per chiudere l?almeno una presa d?aria 4 ed impedire la fuoriuscita dei gas di scarico attraverso l?almeno una presa d?aria 4 per effetto dell?aumento di pressione nella camera di combustione 2 a seguito della combustione.

[0022] Con riferimento alle Figg. 6-7, nella seconda modalit? di funzionamento (pulsogetto) l?almeno una valvola di non ritorno 8 ? configurata per chiudere l?almeno una presa d?aria 4 ed impedire la fuoriuscita dei gas di scarico EG1 attraverso l?almeno una presa d?aria 4 per effetto dell?aumento di pressione nella camera di combustione 2 a seguito della combustione. Inoltre, con riferimento alle Figg.4-5, nella seconda modalit? di funzionamento (pulsogetto) l?almeno una valvola di non ritorno 8 ? configurata per aprire l?almeno una presa d?aria 4 in modo da consentire l?ingresso dell?aria AX1 dall?atmosfera per effetto della caduta di pressione nella camera di combustione 2 a seguito dello scarico dei gas di scarico EG1 attraverso l?ugello di scarico 7.

[0023] Sempre con riferimento alle Figg.4-5, in accordo ad una forma di realizzazione, l?almeno una presa d?aria 4 e l?almeno una valvola 8 di non ritorno sono configurate in modo da generare un moto vorticoso dell?aria AX1 in ingresso nella camera di combustione 2. In particolare, in accordo ad una forma di realizzazione le valvole 8 sono disposte in modo da consentire l?apertura delle prese d?aria 4 tutte nello stesso orario o antiorario cos? da consentire la formazione di un vortice d?aria con significativa velocit? tangenziale. Vantaggiosamente, la vorticosit? dell?aria AX1 consente di raffreddare la parete 23, preferibilmente una parete cilindrica 23, della camera di combustione 2, rendendo inutile l?impiego del suddetto sistema di raffreddamento nella seconda modalit? di funzionamento (pulsogetto).

Inoltre, la vorticosit? dell?aria AX1 consente una miscelazione molto efficiente del carburante F1.

[0024] Descritta la struttura del motore 1, si descrive ora a titolo esemplificativo e non limitativo il funzionamento di tale motore con riferimento alla forma di realizzazione illustrata nelle annesse Figg.2-7.

[0025] Durante la partenza del lanciatore 10, il motore 1 funziona nella prima modalit? di funzionamento (motore a razzo). Le valvole 51,61 presenti nel circuito di alimentazione a monte del motore 1 vengono aperte ed i propellenti F1,O1 vengono conseguentemente riversati nella camera di combustione 2 spinti dal sistema di pressurizzazione del sistema di propulsione 15. In particolare i propellenti F1,O1 vengono immessi nella camera di combustione 2 attraverso l?iniettore 21 presente in tale camera 2. L?iniettore 21 porta alla atomizzazione e miscelazione dei propellenti F1,O1. L?accenditore 22 consente quindi di innescare la combustione che genera ad esempio pressioni tra i 10 ed i 300 bar nella camera di combustione 2. I gas di scarico EG1 pressurizzati premono contro le valvole 8 a petalo garantendone una chiusura ermetica mentre vengono direzionati verso l?ugello di scarico 7 dove accelerano fino a raggiungere velocit? supersoniche generando una spinta.

[0026] Durante la fase di discesa del lanciatore 10, il motore 1 a razzo funziona nella seconda modalit? di funzionamento (pulsogetto). In particolare, superata la fase di rientro atmosferico e raggiunta la quota di avvio, ad esempio a 5/10 km di altezza, avviene la conversione del motore 1 che passa dalla prima modalit? di funzionamento alla seconda modalit? di funzionamento. Arrivati alla quota di innesco viene riaperta la valvola 51 del carburante e lasciata chiusa la valvola 61 del comburente. Il lanciatore 10 va orientato in modo pi? o meno controllato con il motore 1 in direzione di caduta, consentendo all?aria AX1 di entrare dentro la camera di combustione 2 e miscelarsi con il carburante F1 iniettato a bassa pressione(Figg.4-5), vale a dire ad una pressione inferiore rispetto alla pressione con la quale il carburante F1 viene iniettato nella camera di combustione 2 nella prima modalit? di funzionamento. In accordo ad un forma di realizzazione, la pressione alla quale viene iniettato il carburante F1 nella seconda modalit? di funzionamento ? appena inferiore alla pressione presente nel serbatoio 5 del carburante, la quale ? tipicamente compresa nell?intervallo 2-10bar, essendo il serbatoio 5 del carburante un serbatoio pressurizzato. L?accenditore 22 viene quindi impiegato per innescare una combustione all?interno della camera di combustione 2, la quale viene seguita dall?espansione dei gas di scarico con conseguente generazione di spinta istantanea (Figg.6-7). In particolare, al termine della combustione, l?espansione dei gas di scarico EG1 caldi attraverso l?ugello di scarico 7, genera una riduzione della pressione all?interno della camera di combustione 2 tale da indurre l?apertura delle valvole 8 a petalo nello stadio 3 di presa d?aria. Le valvole 8 a petalo vengono infatti aperte dalla differenza di pressione fra l?interno e l?esterno della camera di combustione 2 consentendo l?ingresso di aria AX1 fresca ed ulteriore ossigeno, ingresso che avviene in modo vorticoso dato l?allineamento delle aperture delle valvole 8 a petalo nello stesso senso orario o antiorario. La nuova miscela di aria AX1 e carburante F1 viene innescata nuovamente tramite l?accenditore 22 inducendo il ciclo di combustione ed espansione come in precedenza, fenomeno che si ripete, con una frequenza preferibilmente compresa fra i 10 ed i 100 Hz, fino alla chiusura della valvola 51 del carburante. Nella seconda modalit? di funzionamento del motore 1, l?innesco della combustione tramite l?accenditore 22, al raggiungimento della temperatura di autoaccensione delle pareti (ad esempio 700 K nel caso del butano) non ? pi? necessario. La spinta pu? inoltre essere regolata mediante il controllo del flusso volumetrico di carburante che viene immesso nella camera di combustione 2. Giunti al vero e proprio atterraggio, la valvola 51 del carburante viene chiusa ed il motore 1 ? libero di raffreddarsi.

[0027] Facendo ora riferimento alle Figg.10-12, in tali figure un motore a razzo in accordo ad una seconda forma di realizzazione ? stato globalmente indicato con il numero di riferimento 1A. Il motore 1A a razzo differisce dal motore 1 a razzo sopra descritto sostanzialmente per il fatto di non prevedere lo stadio 3 di presa d?aria e di prevedere almeno una presa d?aria 4A di tipo differente rispetto alla presa d?aria 4 del motore 1. Pertanto, a parte la differenza di struttura e funzionamento relativa alla presa d?aria 4A, quanto descritto in relazione al motore 1 ? applicabile al motore 1A. In particolare, il motore 1A a razzo ? adatto in modo analogo al motore 1 a funzionare in una prima modalit? di funzionamento in cui funziona come un motore a razzo ed in una seconda modalit? di funzionamento in cui funziona come pulsogetto. Conseguentemente, per brevit? di descrizione, gli elementi del motore 1A in comune con il motore 1 non saranno nuovamente descritti in dettaglio. Si osservi inoltre che il motore 1A ? adatto ad essere integrato nel lanciatore 10 e pi? in particolare nel sistema di propulsione 15 descritto con riferimento al motore 1 semplicemente sostituendo il motore 1 con il motore 1A. Pertanto, nel seguito per brevit? di descrizione il funzionamento del motore 1A potr? essere descritto anche con riferimento agli elementi del sistema di propulsione 15 sopra descritti, ed in modo particolare con riferimento ai serbatoi 5,6 e alle valvole 51,61.

[0028] Sempre con riferimento alle Figg.10-12, in accordo ad una forma di realizzazione, l?almeno una presa d?aria 4A comprende almeno un ugello ausiliario 4A comunicante con la camera di combustione 2 e configurato in modo da consentire sia l?ingresso dell?aria AX1 dall?atmosfera sia lo scarico di una parte dei gas di scarico EG1. Si osservi che il motore 1A ? privo di valvole associate all?ugello 4A. In altre parole, nella seconda modalit? di funzionamento, il motore 1A a razzo ? adatto funzionare anche come pulsogetto con geometria ?valveless?. I vantaggi operativi della configurazione ?valveless? del motore 1A rispetto alla configurazione con valvole 8 del motore 1 risiedono principalmente nell?assenza di parti mobili a contatto con i gas di scarico EG1 ad elevatissima temperatura che possono inficiare le propriet? elastico-meccaniche delle valvole 8 stesse oltre a produrre una degradazione delle valvole 8 nel corso della vita operativa del motore 1. Lo svantaggio principale della configurazione del motore 1A rispetto a quella del motore 1 ? rappresentato invece da una minore efficienza operativa data la direzione della presa d?aria 4A opposta alla direzione di spinta. In accordo ad una forma di realizzazione l?ugello ausiliario 4A comprende un ugello convergente-divergente. In accordo ad una forma di realizzazione, l?ugello ausiliario 4A ? pi? corto rispetto all?ugello di scarico 7. Si osservi che il fatto di prevedere due ugelli 4A e 7 differente lunghezza consente di generare una direzionalit? nel flusso e quindi una spinta netta. In particolare, durante la seconda modalit? di funzionamento (pulsogetto) l?impiego dell?ugello di scarico 7 e dell?ugello 4A di diversa lunghezza permette di creare un?asimmetria gasdinamica nella propagazione dei gas di scarico EG1, con la produzione netta di una spinta in un ciclo di pulsazione dalla frequenza inversamente proporzionale alla differenza lunghezza tra l?ugello di scarico 7 e l?ugello ausiliario 4A. In accordo ad una forma di realizzazione l?ugello ausiliario 4A ? un ugello anulare che si estende attorno all?ugello di scarico 7. In altre parole, in accordo ad una forma di realizzazione, l?ugello 4A ? un ugello convergente-divergente di forma anulare che si estende attorno all?ugello di scarico 7. In base a quanto sopra descritto ? dunque chiaro che la natura di pulso reattore di un motore secondo la presente descrizione ? riproducibile non solo mediante l?introduzione dello stadio 3 di presa d?aria provvisto di valvole 8 di non ritorno (Figg.2-7), ma anche mediante l?integrazione di una presa d?aria 4A avente una geometria funzionale allo scopo (Figg.10-12). In altre parole, nella stessa maniera in cui un pulsogetto pu? essere geometrizzato per operare secondo una configurazione ?valveless? anche un motore secondo la presente descrizione pu? essere realizzato per farlo.

[0029] Descritta la struttura del motore 1A a razzo, si descrive ora a titolo esemplificativo e non limitativo il funzionamento di tale motore con riferimento alla forma di realizzazione illustrata nelle annesse Figg.10-12.

[0030] Con riferimento alla Fig.10, durante la partenza del lanciatore 10, il motore 1A funziona nella prima modalit? di funzionamento (motore a razzo). Le valvole 51,61 dei propellenti F1,O1 presenti nel circuito di alimentazione a monte del motore 1A vengono aperte ed i propellenti F1,O1 stessi vengono conseguentemente riversati nella camera di combustione 2 spinti dal sistema di pressurizzazione, attraverso l?iniettore 21 presente nella camera di combustione 2. L?iniettore 21 porta alla atomizzazione e miscelazione dei propellenti F1,O1. L?accenditore 22 consente quindi di innescare la combustione che genera ad esempio pressioni tra i 10 ed i 300 bar nella camera di combustione 2. Il gas pressurizzato viene direzionato verso l?ugello di scarico 7 e l?ugello ausiliario 4A dove accelera fino a raggiungere velocit? supersoniche generando una spinta.

[0031] Con riferimento alle Figg.11-12, durante la fase di discesa del lanciatore 10, il motore 1A a razzo funziona nella seconda modalit? di funzionamento (pulsogetto). In particolare, superata la fase di rientro atmosferico e raggiunta la quota di avvio, ad esempio a 5/10 km di altezza, avviene la conversione del motore 1A che passa dalla prima modalit? di funzionamento alla seconda modalit? di funzionamento. In pratica, arrivati alla quota di innesco viene riaperta la valvola 51 del carburante e lasciata chiusa la valvola 61 del comburente. Il lanciatore 10 va orientato in modo pi? o meno controllato con il motore 1 in direzione di caduta, consentendo all?aria AX1 di entrare dentro la camera di combustione 2 tramite l?ugello 4A e miscelarsi con il propellente F1 iniettato a bassa pressione (Fig.11), vale a dire ad una pressione inferiore rispetto alla pressione con la quale il carburante F1 viene iniettato nella camera di combustione 2 nella prima modalit? di funzionamento. In accordo ad un forma di realizzazione, la pressione alla quale viene iniettato il carburante F1 nella seconda modalit? di funzionamento ? appena inferiore alla pressione presente nel serbatoio 5 del carburante, la quale ? tipicamente compresa nell?intervallo 2-10bar, essendo il serbatoio 5 del carburante un serbatoio pressurizzato. Con riferimento alla Fig.12, l?accenditore 22 viene quindi impiegato per innescare una combustione all?interno della camera di combustione 2, la quale viene seguita dall?espansione dei gas di scarico EG1 nell?ugello di scarico 7 e nell?ugello ausiliario 4A con conseguente generazione di spinta istantanea. In particolare, al termine della combustione, l?espansione dei gas di scarico caldi attraverso l?ugello di scarico 7, genera una riduzione della pressione all?interno della camera di combustione 2 tale da indurre l?ingresso di aria fresca AX1 ed ulteriore ossigeno per effetto della differenza di pressione (Fig.11). Pi? in particolare l?ingresso dell?aria fresca AX1 avviene attraverso l?ugello ausiliario 4A data la minore lunghezza tra l?estremit? dell?ugello 4A stesso e la camera 2 di combustione, garantendo cos? una spinta netta. La nuova miscela di aria AX1 e carburante F1 viene innescata nuovamente tramite l?accenditore 22 inducendo il ciclo di combustione ed espansione come in precedenza, fenomeno che si ripete fino alla chiusura della valvola 51 del carburante, con una frequenza preferibilmente compresa fra i 10 ed i 100 Hz. Nella seconda modalit? di funzionamento del motore 1A, l?innesco della combustione tramite l?accenditore 22, al raggiungimento della temperatura di autoaccensione delle pareti (ad esempio 700 K nel caso del butano) non ? pi? necessario. La spinta pu? inoltre essere regolata mediante il controllo del flusso volumetrico di carburante che viene immesso nella camera di combustione 2. Giunti al vero e proprio atterraggio, la valvola 51 del carburante viene chiusa ed il motore 1A ? libero di raffreddarsi.

Alla luce di quanto sopra, ? chiaro che descrivendo la struttura ed il funzionamento dei motori a razzo 1 e 1A, ? stato descritto in pratica anche un metodo di funzionamento di un motore 1 o 1A a razzo, comprendente una fase di far funzionare detto motore 1 o 1A come motore a razzo in una prima modalit? di funzionamento, in cui la prima modalit? di funzionamento comprende:

a) un?operazione di immettere nella camera di combustione 2 di detto motore 1 o 1A a razzo un carburante F1 ed un comburente O1 prelevati rispettivamente dal serbatoio 5 per il carburante e dal serbatoio 6 per il comburente; b) un?operazione di innescare una combustione continua nella camera di combustione 2;

c) un?operazione di scaricare i gas di scarico EG1 attraverso l?ugello di scarico 7 di detto motore 1 in modo da generare una spinta.

Il metodo di funzionamento comprende inoltre una fase di far funzionare il motore 1 o 1A come pulsogetto in una seconda modalit? di funzionamento, dove la seconda modalit? di funzionamento comprende:

d) un?operazione di immettere nella camera di combustione 2 solamente il carburante F1;

e) un?operazione di consentire l?ingresso dell?aria AX1 prelevata dall?atmosfera nella camera di combustione 2, f) un?operazione di innescare una combustione nella camera di combustione 2;

g) un?operazione di scaricare i gas di scarico EG1 attraverso l?ugello di scarico 7 in modo da generare una spinta.

La seconda modalit? di funzionamento comprende ripetere le operazioni e),f),g) in modo da generare una combustione pulsata. In particolare, la suddetta operazione e) si verifica per effetto della combustione pulsata.

[0032] In accordo ad una forma di realizzazione, la suddetta operazione e) comprende immettere l?aria AX1 in modo vorticoso nella camera di combustione 2.

[0033] Si osservi che diverse modifiche e/o varianti possono essere apportate ad un motore a razzo secondo la presente descrizione.

[0034] Ad esempio, per migliorare le performance relative alla modalit? pulsogetto, una serie di regolatori di flusso, valvole a spillo e rilevatori di pressione possono essere integrati all?interno della camera di combustione per ottimizzare la pulsazione ed il conseguente consumo di carburante.

[0035] In base a quanto sopra descritto, ? possibile dunque comprendere come un motore a razzo secondo la presente descrizione sia in grado di conseguire gli scopi sopra citati.

[0036] Un motore secondo la presente descrizione rappresenta l?integrazione sinergica di due sistemi di propulsione a reazione noti: il pulsogetto e l?endoreattore. In sostanza, un motore a razzo secondo la presente descrizione, derivato da una modifica minima ma sostanziale di un motore a razzo tradizionale, pu? essere utilizzato come tale per il lancio e l?inserimento in orbita di un carico utile, e convertito a pulsoreattore durante la fase di atterraggio, generando di conseguenza la spinta necessaria mediante l?uso dell?aria per minimizzare il peso e massimizzare la sicurezza.

[0037] L?integrazione di tali sistemi di propulsione rende possibile l?impiego di questo tipo di motore in diversi campi operativi, dall?aviazione all?esplorazione spaziale, venendosi a collocare particolarmente bene nel campo del riutilizzo dei veicoli di lancio suborbitali ed orbitali. Operazioni nelle due possibili modalit? operative (?a razzo? o ?a getto?) consentono di sfruttare i vantaggi relativi al volo troposferico (bassa quota, bassa velocit?) con quelli del volo extra atmosferico (alta quota, alta velocit?), altrimenti impossibili da ottenere con una sola delle due soluzioni. L?utilizzo dell?aria atmosferica come fluido di movimento consente vantaggi importanti, non vi ? pi? la necessit? di utilizzare propellente di bordo dato che lo si pu? attingere semplicemente dall?atmosfera, riducendo ai minimi teoricamente possibili la richiesta di carburante. Una quantit? molto ridotta di combustibile sar? sempre necessaria per muovere l?aria ed ottenere conseguente spinta, ma in misura decisamente trascurabile rispetto ad un motore a razzo tradizionale. Questo consente anche di avere margini di sicurezza e precisione notevolmente migliori data la possibilit? di tenere per molto pi? tempo i motori accesi e di sopperire ad eventuali anomalie.

[0038] L?integrazione delle due tecnologie comporta inoltre vantaggiosamente un?addizione di massa ridotta se non trascurabile. Si osservi, infatti, che l?introduzione di una presa d?aria in un tradizionale motore a razzo rappresenta un?aggiunta di peso decisamente trascurabile. Ad esempio, l?aggiunta di uno stadio di presa d?aria determina un incremento di meno del 5% nella massa di un comune motore a razzo, risultando in una trascurabile penalizzazione di massa sul veicolo finale. D?altra parte, l?impulso specifico nella modalit? a pulsogetto pu? superare i 2000 s, comparati con i 250 s di un motore a razzo convenzionale. Un tale incremento comporterebbe un prolungamento sostanziale del tempo di volo a parit? di carburante speso. Ad esempio, la manovra di rientro retro-propulsivo compiuta da un veicolo di lancio noto dura 127 secondi in tutto. Con la stessa quantit? di carburante qualora i motori di tale veicolo dovessero impiegare un motore a razzo secondo la presente descrizione, l?autonomia di volo di tale veicolo sarebbe di circa 3937 secondi, ovvero di quasi 1h e 5 min. In alternativa, limitando sempre l?autonomia a 127 secondi la quantit? di carburante necessario per la manovra passerebbe dagli attuali 38.330 kg ad appena 2.840 kg. Inoltre, nel caso suddetto veicolo noto, la riduzione del carico utile per eseguire il riuso ? di circa il 33%, mentre con l?impiego di un motore secondo la presente descrizione si potrebbero recuperare oltre 6,8 tonnellate di carico utile, circa 27,2 M$ (2018) all?attuale costo di lancio, oltre al recupero integrale del booster.

Inoltre, la penalizzazione di massa sarebbe di appena il 1,2%.

[0039] Senza estremizzare il risparmio, grazie all?impego di un motore a razzo secondo la presente descrizione si pu? anche garantire un ritorno sicuro dall?orbita con oltre 5 minuti di autonomia di volo con appena 6 tonnellate di carburante, appena il 15% del carburante attualmente richiesto. La maggiore autonomia di volo consente un rientro pi? sicuro, potendo sopperire ad eventuali malfunzionamenti senza rischiare di terminare il carburante o non avere tempo di reazione, con anche una maggiore accuratezza di volo data l?autonomia.

[0040] In sintesi, un motore a razzo secondo la presente descrizione comporta vantaggi sostanziali, rappresentando allo stato attuale potenzialmente il miglior modo possibile per eseguire un rientro retro-propulso con carburante di bordo per un veicolo. I vantaggi principali deviranti dall?impiego di questa tecnologia sono sostanzialmente:

- minimizzazione del peso utile necessario al riutilizzo; - incremento significativo dei margini di sicurezza;

- aumento del range di volo e della precisione dell?atterraggio.

Tendendo conto di questi vantaggi, ? dunque chiaro che in un?ottica di frequenze quotidiane di lancio, di veicoli ?personali?, di trasporto di elementi sensibili come persone e merci verso lo spazio o di trasporti intercontinentali, un motore secondo la presente descrizione pu? rappresentare la migliore tecnologia per efficienza e sicurezza.

[0041] Ad esempio, un veicolo a stadio singolo verso l?orbita, dotato di questa tecnologia con una minimizzazione di infrastrutture e di manutenzione necessaria potrebbe raggiungere realisticamente in una decade prezzi di 10 ?/kg con carichi utili della taglia di un lanciatore medio-pesante attuale o con un nano lanciatore dall?elevato numero di riutilizzi.

[0042] Ulteriori applicazioni della tecnologia possono essere ritagliate nel settore dell?aviazione con un riadattamento dell?architettura per i voli supersonici/ipersonici e per i veicoli in generale.

[0043] Fermo restando il principio dell?invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto ? stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall?ambito dell?invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.

Claims (13)

RIVENDICAZIONI

1. Motore (1) a razzo, comprendente una camera di combustione (2), il motore (1) a razzo essendo adatto funzionare come motore a razzo in una prima modalit? di funzionamento ed essendo caratterizzato dal fatto che comprende almeno una presa d?aria (4) disposta e configurata per consentire l?ingresso nella camera di combustione (2) di aria (AX1) aspirata dall?atmosfera in modo tale da permettere al motore (1) a razzo di funzionare come pulsogetto in una seconda modalit? di funzionamento di detto motore.

2. Motore (1) a razzo secondo la rivendicazione 1, configurato per essere operativamente connesso ad un serbatoio (5) per il combustibile e ad un serbatoio (6) per il comburente, detto motore 1 a razzo comprendendo un ugello di scarico (7) convergente-divergente comunicante con la camera di combustione (2) per consentire lo scarico dei gas di scarico (EG1).

3. Motore (1) a razzo secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente uno stadio (3) di presa d?aria associato a detta camera di combustione (2), detto stadio (3) di presa d?aria comprendendo detta almeno una presa d?aria (4) ed almeno una valvola di non ritorno (8) associata a detta almeno una presa d?aria (4),

in detta prima modalit? di funzionamento detta almeno una valvola di non ritorno (8) essendo configurata per chiudere detta almeno una presa d?aria (4) ed impedire la fuoriuscita di gas di scarico attraverso detta almeno una presa d?aria (4) per effetto dell?aumento di pressione nella camera di combustione (2) a seguito della combustione;

in detta seconda modalit? di funzionamento detta almeno una valvola di non ritorno (8) essendo configurata per:

chiudere detta almeno una presa d?aria (4) ed impedire la fuoriuscita dei gas di scarico attraverso detta almeno una presa d?aria (4) per effetto dell?aumento di pressione nella camera di combustione (2) a seguito della combustione; e

aprire detta presa d?aria (4) in modo da consentire l?ingresso di aria (AX1) dall?atmosfera per effetto della caduta di pressione nella camera di combustione (2) a seguito dello scarico dei gas di scarico (EG1) attraverso detto ugello di scarico (7).

4. Motore (1) a razzo secondo la rivendicazione 3, in cui detta almeno una presa d?aria (4) e detta almeno una valvola 8 di non ritorno sono configurate in modo da generare un moto vorticoso di detta aria (AX1) in ingresso nella camera di combustione 2.

5. Motore (1) a razzo secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui detta almeno una presa d?aria (4) comprende una pluralit? di prese d?aria (4) e detta almeno una valvola (8) di non ritorno comprende una pluralit? di valvole (8) a petalo associate ciascuna ad una rispettiva presa d?aria (4).

6. Motore (1) a razzo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta almeno una presa d?aria (4A) comprende almeno un ugello ausiliario (4A) comunicante con la camera di combustione (2) e configurato in modo da consentire sia l?ingresso dell?aria (AX1) dall?atmosfera sia lo scarico di una parte dei gas di scarico (EG1).

7. Motore (1) a razzo secondo la rivendicazione 6, in cui detto ugello ausiliario (4A) comprende un ugello convergente-divergente.

8. Motore (1) a razzo secondo la rivendicazione 6 o 7 in cui detto ugello ausiliario (4A) ? pi? corto rispetto a detto ugello di scarico (7).

9. Motore (1) a razzo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 8, in cui detto ugello ausiliario (4A) ? un ugello anulare che si estende attorno a detto ugello di scarico (7).

10. Sistema di propulsione (15) comprendente un motore (1) a razzo come definito in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, un serbatoio (5) per il combustibile ed un serbatoio (6) per il comburente che sono operativamente connessi a detto motore (1) a razzo.

11. Lanciatore (10) comprendente un sistema di propulsione come definito nella rivendicazione 10.

12. Metodo di funzionamento di un motore (1) a razzo, comprendente una fase di far funzionare detto motore (1) come motore a razzo in una prima modalit? di funzionamento, detta prima modalit? di funzionamento comprendendo:

a) un?operazione di immettere in una camera di combustione (2) di detto motore (1) a razzo un carburante (F1) ed un comburente (O1) prelevati rispettivamente da un serbatoio (5) per il carburante ed un serbatoio (6) per il comburente;

b) un?operazione di innescare una combustione continua in detta camera di combustione (2);

c) un?operazione di scaricare i gas di scarico (EG1) attraverso un ugello di scarico (7) di detto motore (1) in modo da generare una spinta;

detto metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di far funzionare detto motore come pulsogetto in una seconda modalit? di funzionamento, detta seconda modalit? di funzionamento comprendendo: d) un?operazione di immettere nella camera di combustione (2) solamente detto carburante (F1);

e) un?operazione di consentire l?ingresso di aria (AX1) prelevata dall?atmosfera in detta camera di combustione (2),

f) un?operazione di innescare una combustione in detta camera di combustione (2);

g) un?operazione di scaricare i gas di scarico (EG1) attraverso detto ugello di scarico (7) in modo da generare una spinta;

in cui detta seconda modalit? di funzionamento comprende ripetere le operazioni e),f),g) in modo da generare una combustione pulsata;

in cui detta operazione e) si verifica per effetto di detta combustione pulsata.

13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui detta operazione e) comprende immettere detta aria in modo vorticoso nella camera di combustione.