Retroscena

Come costruire un motore a razzo

Martin Jud
06.05.2021
Traduzione: Leandra Amato

Non sono né la NASA né l'ESA, eppure vogliono volare alto a velocità supersonica. In nove secondi, il razzo della Swiss Academic Spaceflight Initiative dovrebbe raggiungere i 30 000 piedi. Per riuscirci, occorre un motore potente.

Se vuoi puntare in alto, hai bisogno di piani ambiziosi. Come quelli della Academic Space Initiative Switzerland (ARIS). Alla ARIS, più di 150 studentesse e studenti del Politecnico di Zurigo, HSLU, ZHAW, OST e dell'Università di Zurigo ricercano, sviluppano e costruiscono ogni anno hardware legati allo spazio. Ogni anno, un nuovo razzo viene costruito per competere con razzi di altri politecnici e università di tutto il mondo.

All'ultima, la più grande competizione mondiale di ingegneria per la costruzione di razzi, la Spaceport America Cup 2019, la squadra svizzera con il razzo HEIDI ha già ottenuto un enorme successo, arrivando seconda nella sua categoria.

Il volo del razzo HEIDI alla Spaceport America Cup 2019 ha ottenuto il secondo posto.

Nel 2020, il torneo è stato purtroppo annullato a causa della pandemia, e nel 2021 si terrà solo virtualmente. Una nuova competizione è stata aperta in Portogallo che ha celebrato il suo debutto l'anno scorso: la European Rocketry Challenge.

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    di Martin Jud

Vincere le competizioni è uno degli obiettivo di ARIS, se non addirittura il principale: entro la fine del decennio dovrebbe essere messo in orbita un oggetto . Può trattarsi di un razzo proprio o di un satellite lanciato da una compagnia spaziale più grande. Le competizioni sono importanti, sia perché i giovani talenti possono mostrare di cosa è capace la loro tecnica, ma soprattutto per fare esperienza. In Svizzera questo è possibile solo in misura limitata.

Chi vuole lanciare un razzo in questo paese, non può farlo volare in alto a causa dello spazio aereo (di solito) molto congestionato e delle leggi in vigore. Pertanto, i voli completati in Svizzera in passato erano solo piccoli salti seguiti da una prova del sistema di recupero – il paracadute.

Volo di prova del razzo HEIDI nel 2019, Canton Giura.

Ecco un altro scatto del razzo EULER dell'anno scorso durante una prova di lancio nel nostro bel paese. Purtroppo, durante la sfida portoghese dell'autunno del 2020, il lancio è stato interrotto a causa di complicazioni con il computer di volo. Tuttavia, il team ARIS ha vinto un Technical Excellence Award.

Prova di lancio del razzo EULER nel 2020, Canton Lucerna.

L'esplosione del razzo TELL avvenuta dopo un volo di solo un secondo e mezzo nel giugno 2018, ha reso il team ARIS consapevole del fatto che il motore deve essere costruito in house.

Il video mostra la registrazione a rallentatore dell'esplosione del razzo TELL nel 2018.

Non significa che un motore proprio non possa esplodere, ma il successo o il fallimento sarebbe interamente nelle proprie mani.

Per il volo di HEIDI nel 2019, nel deserto del New Mexico, così come per EULER nel 2020, i motori sono stati acquistati, dato che non ne esistevano in precedenza. Nel frattempo si è fatto molto; parte dell'infrastruttura di prova e un primo piccolo motore prototipo RHEA sono stati sviluppati e poi testati nel dicembre 2019. Nel 2020, un primo motore a razzo ibrido flight-scale è stato sviluppato, costruito e testato con successo. Una seconda versione è attualmente in fase di sviluppo, che per la prima volta dovrà essere integrata in un razzo in occasione dell’eventoin Portogallo questo autunno.

Ma come si costruisce un motore a razzo?

Motore ibrido con sorbitolo, cera di candela e protossido di azoto

Per costruire un motore a razzo, occorrono per prima cosa le menti giuste per implementarlo.

Nel 2020, hanno sviluppato IRIDE, il primo motore a razzo ARIS in scala di volo.
Nel 2020, hanno sviluppato IRIDE, il primo motore a razzo ARIS in scala di volo.

Otto persone sono responsabili della prima versione del motore IRIDE. Questo verrà rivisto quest'anno nel progetto DAEDALUS da altre sei persone e integrato in un razzo per la prima volta.

Prendono la prima versione del motore, la migliorano e la integrano nel razzo.
Prendono la prima versione del motore, la migliorano e la integrano nel razzo.

Qui si può vedere la squadra di IRIDE in grande.
Qui il team di DAEDALUS.

Tuttavia, i sei nuovi membri del team non sono completamente soli. Al fine di garantire un perfetto trasferimento di conoscenze dei progetti dell'anno precedente in tutti i dettagli, gli allenatori e gli alumni ARIS sono a disposizione. Uno di questi è Shady Elshater. Può essere visto in alto a sinistra nella prima foto e ha già lavorato ai progetti RHEA e IRIDE come Project Manager e System Engineer. Inoltre, è anche responsabile delle spiegazioni che ora seguono. Gli si addice anche il lavoro di portavoce.

Oltre a menti brillanti, sono necessari obiettivi ambiziosi:

  • Viene sviluppato un motore a razzo ibrido, che funziona in modo affidabile e ha un design modulare.
  • Si dice che la spinta abbia una potenza di picco di 5000 Newton e che porterà i razzi fino a 10 000 metri di altezza.
  • Il tempo di combustione è di dieci secondi. La fase di accensione prima di quella è di quattro secondi.
  • Inoltre, deve essere usata una costruzione leggera e deve essere integrato un acceleratore di spinta.

La spinta di cinque kilonewton di potenza equivale all'incirca al peso di mezza tonnellata ed è la spinta necessaria per tenerlo in aria. O per accelerare un razzo di 81 chilogrammi a più di 8,5 g. Questo è destinato a trasportare un carico utile di quattro chilogrammi con la dimensione standard di tre cubesat fino a 10 000 metri. Più precisamente, quest'anno un razzo lungo 6,34 metri chiamato PICCARD, con un diametro di 17,9 centimetri, un peso di 81 chilogrammi e una velocità massima di 1,05 Mach, in nove secondi raggiungerà l'obiettivo a un'altitudine di 30 000 piedi o 9144 metri.

PICCARD misura più di sei metri e si dice che voli a velocità supersoniche.
PICCARD misura più di sei metri e si dice che voli a velocità supersoniche.
Immagine: ARIS

Mach 1 corrisponde alla semplice velocità locale del suono. Cioè 343 metri al secondo o 1235 chilometri all'ora a una temperatura di 20 gradi centigradi, umidità secca e una pressione ambientale di 1 atm (atmosfera fisica a 0 metri sul livello del mare). La velocità massima prevista di 1,05 Mach corrisponde a 1296,54 km/h. Tuttavia, è già possibile volare più veloce del suono a una velocità inferiore, poiché la velocità del suono dipende in modo relativamente forte dalla temperatura. Se, per esempio, un oggetto volante deve raggiungere la barriera del suono ad un'altitudine di 10 chilometri, deve percorrere solo 300 metri al secondo ad una temperatura ambiente di -50 °C.

I motori a razzo ibridi usano propellente in forma solida combinato con un ossidante liquido.
I motori a razzo ibridi usano propellente in forma solida combinato con un ossidante liquido.
Immagine: ARIS

Il fatto che un motore a razzo ibrido venga usato per la realizzazione, significa che il propellente in forma solida è combinato con un ossidante liquido. Come ossidante, ARIS usa il protossido di azoto, meglio conosciuto come gas esilarante.. Nell'immagine sopra, questo si trova in un serbatoio pressurizzato. Aprendo una valvola pneumatica, il gas viene diretto in un ugello di iniezione, che lo inietta nell'involucro del motore in una forma atomizzata simile a un soffione da doccia. Nell'alloggiamento, il gas viene acceso e forma un vortice di fuoco, che permette al componente propellente solido di bruciare uniformemente e, insieme ad esso, fornisce la spinta necessaria attraverso l'ugello.

ARIS usa una combinazione di cera di candela (paraffina) e sorbitolo come propellente solido. Il sorbitolo è usato dai panettieri per dolcificare o dai medici come lassativo per i clisteri. Cose che si possono comprare o importare anche in Portogallo o negli Stati Uniti.

Ugello del razzo raffreddato ad acqua nel contenitore di carico

Passare dalla teoria alla pratica richiede buoni piani che si basano su concetti esistenti. Anche gli sponsor sono essenziali. Per esempio, per produrre parti individuali (sulla base di disegni CAD) o per fornire un sito di prova sicuro. Ciò significa che la costruzione, che si svolge al Politecnico di Zurigo, deve avvenire su una piattaforma mobile. Perciò, il team decide per un banco di prova in un container.

Questo scatto del container aperto con il team di I RIDE potrebbe essere uscito da un film di fantascienza.
Questo scatto del container aperto con il team di I RIDE potrebbe essere uscito da un film di fantascienza.
Immagine: ARIS
Il container in tre parti contiene il banco di prova, i serbatoi di gas e l'elettronica.
Il container in tre parti contiene il banco di prova, i serbatoi di gas e l'elettronica.
Immagine: ARIS

Il container ha tre stanze separate. Nella prima viene allestito un banco di prova su cui è montato il motore in modo che l'ugello possa sparare dal container.

La prima stanza contiene il banco di prova. Inoltre, fornisce all'ugello il raffreddamento ad acqua e l'accesso all'ossidatore, il cui serbatoio si trova nella seconda stanza.
La prima stanza contiene il banco di prova. Inoltre, fornisce all'ugello il raffreddamento ad acqua e l'accesso all'ossidatore, il cui serbatoio si trova nella seconda stanza.
Immagine: ARIS

Quando il motore verrà installato in un razzo, riceverà un ugello fatto a mano in fibra di carbonio con un inserto in grafite. Tuttavia, a causa delle temperature troppo elevate questo non viene utilizzato per più voli. Per mantenere bassa l'usura dell'ugello durante i test, viene usato un ugello di rame con raffreddamento ad acqua sul banco di prova.

Il banco di prova in dettaglio.
Il banco di prova in dettaglio.
Immagine: ARIS
Il motore in dettaglio.
Il motore in dettaglio.
Immagine: ARIS

Il motore è montato sul banco di prova a sinistra e alimentato con l'ossidante da destra. Quando la valvola principale è aperta, un sensore controlla il flusso di massa dell'ossidante. Inoltre, è installato un sistema di misurazione della spinta, che assicura l'ottenimento di dati corretti dopo l'accensione del motore. Già in questa prima stanza ci sono più di 15 sensori che misurano ogni singolo parametro del motore e dell'ossidatore che scorre.

La seconda stanza offre spazio per i serbatoi di gas.
La seconda stanza offre spazio per i serbatoi di gas.
Immagine: ARIS

La seconda stanza centrale offre spazio per il serbatoio dell'ossidatore, che si può vedere all'estrema sinistra. Accanto, sulla parete esterna, ci sono tre serbatoi di azoto. Il primo di questi serve il sistema di pressurizzazione. Il secondo è il sistema pneumatico, che è responsabile dell'apertura e della chiusura delle valvole. Il terzo serbatoio di azoto può essere utilizzato per il lavaggio del motore.

A destra dei tre serbatoi di azoto, viene installata un'ulteriore parete di sicurezza durante il funzionamento, dietro la quale si trovano altri due serbatoi con protossido di azoto. Questi sono usati per riempire il serbatoio dell'ossidante, che è direttamente collegato al motore.

Nella terza stanza dei container ci sono i moduli di misurazione, i relè di sicurezza, così come il sistema di alimentazione, il sistema di telecamere di sorveglianza e molti cavi; insomma, tutto l'hardware elettronico si trova in questa zona. È qui che avviene il controllo di tutto il setup. E la raccolta di tutti i dati dei test.

Immagine: ARIS
Immagine: ARIS

Più di due chilometri di cavi sono installati in tutta la struttura.

Immagine: ARIS
Immagine: ARIS

Un gadget speciale che, sfortunatamente, solo una persona alla volta è autorizzata ad adoperare fuori dal contenitore e a distanza di sicurezza.

5 kilonewton cosa: fuoco a volontà!

Il pulsante di lancio visto sopra è pronto da molto tempo; alla fine dell'estate 2020, dopo un anno di pianificazione, fabbricazione e assemblaggio, tutto è finalmente pronto per i primi test. I componenti che non potevano essere prodotti dall'azienda stessa sono stati realizzati con l'aiuto degli sponsor.

L'acqua di raffreddamento scorre attraverso le scanalature di questo speciale ugello dopo che è stato montato sul banco di prova.
L'acqua di raffreddamento scorre attraverso le scanalature di questo speciale ugello dopo che è stato montato sul banco di prova.
Immagine: ARIS

Lo speciale ugello di metallo, che è attaccato al sistema di raffreddamento ad acqua, è una produzione esterna. Al contrario, i primi ugelli di carbonio sono stati fatti a mano sul posto.

Anche la produzione del combustibile avviene di propria mano: la paraffina e il sorbitolo, con un po' di polvere di alluminio per una spinta in più, vengono accuratamente riscaldati nelle giuste proporzioni e versati in un tubo di resina fenolica. Questo viene poi fatto ruotare come un cestello di lavatrice.

Il primo montaggio del motore avviene alla luce del sole. Un buon auspicio.
Il primo montaggio del motore avviene alla luce del sole. Un buon auspicio.
Immagine: ARIS
Il design modulare ha molti vantaggi. Se qualcosa si rompe, può essere sostituito senza complicazioni.
Il design modulare ha molti vantaggi. Se qualcosa si rompe, può essere sostituito senza complicazioni.
Immagine: ARIS

Un primo montaggio del motore sull'Hönggerberg di Zurigo in una giornata soleggiata di luglio rende felice il team IRIDE così come gli sponsor e i professori. E tutto sembra funzionare alla grande. I sistemi sono pronti per una prima accensione, quindi il container si mette in viaggio.

Da qualche parte in mezzo al nulla: i fuochi d'artificio possono avere luogo sull'Ochsenboden.
Da qualche parte in mezzo al nulla: i fuochi d'artificio possono avere luogo sull'Ochsenboden.
Immagine: ARIS

L'intero impianto di prova viene spostato di 60 chilometri con un camion. La destinazione è l'Ochsenboden, nel Canton Svitto. Rheinmetall ha un centro di test lì. L'accensione di un motore a razzo può essere effettuata solo in luoghi molto remoti.

Il motore è pronto per il banco di prova.
Il motore è pronto per il banco di prova.
Immagine: ARIS

I preparativi prima di un'accensione richiedono diverse ore ciascuno. Ognuno ha un compito fisso, così come durante il lancio. Grazie a più di un anno di collaborazione e di conoscenza di ogni singola parte dei sistemi, tutto funziona senza problemi.

Tutto combacia.
Tutto combacia.
Immagine: ARIS
Ogni membro del team è assolutamente concentrato.
Ogni membro del team è assolutamente concentrato.
Immagine: ARIS

Il motore viene riempito di carburante solido per la prima volta, fissato sul banco di prova e collegato al serbatoio. Il potente sistema di raffreddamento ad acqua è un vero schianto.

Immagine: ARIS
Immagine: ARIS

Dopo un ultimo controllo dei serbatoi, l'intera squadra scompare in un bunker. Durante l'accensione, si deve mantenere una distanza di sicurezza dal container. Il bunker contiene anche il congegno con l'interruttore di emergenza e cinque monitor: questi mostrano i dati dei sensori, il pannello di controllo per aprire e chiudere tutte le valvole e i video della telecamera di sorveglianza.

Immagine: ARIS
Immagine: ARIS

Un'ultima occhiata attraverso la fessura della finestra del bunker mostra la bandiera di tiro e la barra LED rossa nel container, il che significa che il sistema è armato.

Immagine: ARIS
Immagine: ARIS

Lo stomaco formicola. Una potente fiamma sta per essere accesa. Si spera. L'attesa è enorme e la tensione pochi istanti prima della pressione sul pulsante rosso è difficilmente sopportabile. Tra un momento, tutto ciò che si è accumulato per più di un anno sarà scaricato. Non solo nel motore, ma in ognuno degli otto membri del team.

L'IRIDE fornirà abbastanza spinta? Il motore a razzo raggiungerà i 5 kilonewton desiderati con un tempo di combustione di 10 secondi?

La risposta è fornita dal seguente roboante video 4K con un potenziale da pelle d'oca.

Che esplosione spettacolare. Quante emozioni.

Come dimostrano le valutazioni dopo 19 combustioni con un tempo totale di combustione di 89 secondi, l'obiettivo non è solo raggiunto, ma superato con un margine considerevole: vengono eseguiti in totale dodici test con successo, il più lungo dei quali dura 16 secondi. Il motore raggiunge una potenza di picco fino a 7994 Newton. Circa il 60% di prestazioni in più rispetto a quanto sperato.

Nel frattempo, il nuovo progetto DAEDALUS ha già testato il motore migliorato una dozzina di volte con grande successo. E con questo, il razzo PICCARD dovrebbe essere pronto per la competizione di ottobre in Portogallo. Mi chiedo se riuscirà a rompere la barriera del suono...

La Svizzera diventerà una nazione spaziale indipendente entro la fine del decennio grazie ad ARIS?

We stay tuned.

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La mia musa ispiratrice si trova ovunque. Quando non la trovo, mi lascio ispirare dai miei sogni. La vita può essere vissuta anche sognando a occhi aperti.


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