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Endoreattori avanzati e accesso allo spazio
01DWEMT
A.A. 2024/25
Lingua dell'insegnamento
Italiano
Corsi di studio
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Aerospaziale - Torino
Organizzazione dell'insegnamento
| Didattica | Ore |
|---|---|
| Lezioni | 45 |
| Esercitazioni in aula | 13,5 |
| Esercitazioni in laboratorio | 1,5 |
Docenti
| Docente | Qualifica | Settore | h.Lez | h.Es | h.Lab | h.Tut | Anni incarico |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Martelli Emanuele | Professore Ordinario | IIND-01/G | 27 | 13,5 | 0 | 0 | 2 |
Collaboratori
Didattica
| SSD | CFU | Attivita' formative | Ambiti disciplinari | ING-IND/07 | 6 | B - Caratterizzanti | Ingegneria aerospaziale ed astronautica |
|---|
2024/25
Negli ultimi anni l’accesso allo spazio è divenuto sempre più un tema rilevante che ormai coinvolge non solo agenzie spaziali, ma un numero sempre crescente di imprese commerciali. Questo insegnamento, proposto in particolare a chi segue l’orientamento Spazio, ha come obiettivo presentare le problematiche legate all'ascesa in orbita e all'accesso allo spazio fornendo gli strumenti per la progettazione di sistemi e strategie per la loro soluzione, con specifici approfondimenti relativi agli endoreattori chimici. Iniziando da necessari richiami relativi ai sistemi propulsivi, l'insegnamento approfondisce i vincoli e le specificità che caratterizzano l'ascesa in orbita nonché le metodologie per la valutazione della traiettoria di ascesa. Vengono inoltre presentate e discusse le principali tipologie di endoreattori avanzati per l'accesso allo spazio, sia esistenti che in via di sviluppo, approfondendo alcuni temi di particolare rilevanza nella progettazione degli stessi. Indicativamente, l'insegnamento è articolato in quarantacinque ore di lezione e quindici di esercitazione
The the last years access to space has become a relevant topic which involves not only space agencies but also an increasing number of commercial enterprises. This course, proposed in particular for those who follow the pathway Space, aims at presenting the main issues related to ascent to orbit and at providing methodologies for the devolopment of systems and strategies for their solution, with specific in-depth analysis of rocket engines. Analysis of peculiarities of ascent trajectories follows an initial survey of propulsion fundamentals. The most important types fo rocket engines for access to apace, both existing and in-development, are the presented and discussed, with specific analysis of propellants and methods for ascent trajectory evaluation.
The course consists of approximately 45 hours of formal lectures and 15 hours of computing classes.
Gli studenti dovranno essere in grado di:
- conoscere le principali manovre spaziali per l'ascesa in orbita e per il raggiungimento dell'orbita finale, sapendo valutare i requisiti propulsivi;
- saper valutare le prestazioni delle principali tipologie di endoreattori avanzati e determinarne i possibili campi di applicazione.
- saper valutare le problematiche relative ai sottosistemi del motore ed alla scelta e gestione dei propellenti nell'ottica di promuovere un accesso allo spazio sostenibile.
Knowledge of the main space maneuvers and evaluation of their propulsive requirements and extended knowledge of the most important electric propulsion system and their performance are required.
Sono propedeutiche le nozioni base della fisica, in particolare dalla meccanica alla termodinamica. Sono inoltre richieste conoscenze di base dei sistemi spaziali, dell’astrodinamica e della propulsione (per quest’ultimo argomento nozioni base sono fornite nell’insegnamento di Motori per Aeromobili; consigliato l’insegnamento di Endoreattori).
It is necessary that the students who will take this course have good skills in the fields of mathematics and physics. A good general knowledge of the existing types of space systems, astrodynamics, propulsion and electronics is required.
Principi della propulsione nello spazio. Spinta e impulso specifico. Equazione di Tsiolkowski. Perdite di velocità. Manovre di ascesa in orbita: vincoli caratteristici, modellizzazione delle manovre, valutazione dei requisiti propulsivi. Lanciatori e prestazioni. Lanciatore expendable vs reusable. Scelta dell’ugello per lanciatori. Richiami sul metodo delle caratteristiche per il progetto degli ugelli. Fenomenologia della separazione e dell’interazione con gli urti negli ugelli sovra-espansi per il primo stadio. Disegno innovativo dell'ugello principale per il lanciatore europeo Ariane 6.
Green propellants: stato dell’arte e prospettive. Zero-g e problematiche propulsive. Propellant management. Propellenti criogenici: boil-off, geysering, stratificazione. Sistemi di alimentazione e controllo. Propulsori trans-atmosferici. Instabilità di combustione di tipo termo-acustico: fenomenologia ed introduzione alla modellistica. Introduzione ai flussi bifase.
Principles of space propulsion. Thrust and specific impulse. Tsiolkowski's equation. Velocity losses.
Comparison of chemical and electric propulsion. Optimal specific impulse.
Single-stage and multi-stage rocket performance. Escape and capture maneuvers, interplanetary transfers, flyby.
Electromagnetism, ionization and definition of plasma. Collisions between particles: types of collision, cross sections.
Scalar electric conductivity and Hall parameter; particle motion in varying electromagnetic fields.
Electrothermal propulsion; typical losses and propellant. Resistojets: characteristics and performance. Arcjets: characteristics and performance.
Electrostatic propulsion: ionization and ideal efficiency. Electrostatic acceleration: Child's law and two-dimensional effects, acceleration-deceleration concept. Neutralization. Characteristics and performance of electrostatic thrusters. FEEP and colloidal thrusters.
Hall's effect thrusters: geometry, operations, and performance.
Electromagnetic propulsion: magnetoplasmadynamics equations; self-field MPD thrusters: pumping e blowing. Performance of self-field and applied-field MPD thrusters. Vasimr.
Unsteady electromagnetic propulsion; PPT characteristics and performance.
Power generators.
Nuclear propulsion, advanced propulsion concepts, solar sails.
Endoreattori avanzati e accesso allo spazio.
Endoreattori avanzati e accesso allo spazio.
L'insegnamento si articola in 45 ore di lezione, mirate alla comprensione delle problematiche dell'ascesa in orbita e relative soluzioni, e 15 di esercitazione con approfondimenti e valutazioni numeriche in applicazioni reali.
Numerical excercises about optimal specific impulse and performance of electric thrusters will be carried out.
Materiale fornito dal docente
G.P. Sutton - O. Biblarz, “Rocket Propulsion Elements”
R. G. Jahn, Physics of Electric Propulsion, first edition, McGraw-Hill, New York, NY, 1968.
L. Casalino Handouts available on the course site.
Slides;
Lecture slides;
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;
Exam: Compulsory oral exam;
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L’esame è orale (30-40 minuti). Consiste in due o tre domande, relative al programma dell'insegnamento, poste ad ogni candidato e sviluppate attraverso la discussione teorica e/o lo svolgimento di brevi calcoli al fine di accertare la capacità di valutazione dei requisiti propulsivi per l'ascesa in orbita e delle prestazioni dei principali endoreattori avanzati
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Compulsory oral exam;
Oral examination. The exam consists in two or three questions about the course program, with discussion and execution of simple calculations to assess the acquisition of the required knowledge.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.