CEA-Based Performance and Off-Design Assessment of LOX/Biofuel Rocket Propellant Candidates

Sintesi Tecnica: Valutazione delle Prestazioni e Off-Design basata su CEA di Candidati Propellenti per Razzi LOX/Biocarburante

Definizione del Problema
Lo studio affronta la necessità di uno screening standardizzato e in fase iniziale per i propellenti per razzi liquidi, confrontando specificamente gli idrocarburi tradizionali con candidati biocarburanti ossigenati. Sebbene l'RP-1 rimanga il riferimento pratico per i motori a LOX/idrocarburi grazie al suo consolidato record ingegneristico e all'alta densità energetica, vi è interesse per i combustibili ossigenati (come il dimetiletere, l'etanolo e il metanolo) per sistemi di propulsione più puliti, piccoli o di tipo dimostrativo. Una lacuna critica nella letteratura esistente è la mancanza di framework comparativi che valutino sia le prestazioni ideali di picco che la tolleranza al rapporto di miscela (comportamento off-design) sotto un unico set coerente di assunzioni termodinamiche. Gli studi precedenti spesso si concentrano su valori di picco o su specifici design di motori, rendendo difficile il confronto diretto tra i combustibili. Questo articolo mira a colmare tale lacuna esaminando sei combustibili compatibili con LOX per identificare quali candidati meritino un'analisi ad alta fedeltà (CFD, sperimentale o a livello di sistema).

Metodologia
La ricerca utilizza il codice NASA Chemical Equilibrium with Applications (CEA) in modalità equilibrio per razzi. Per garantire un confronto equo, tutti i sei candidati combustibile — RP-1, dimetiletere (DME), etanolo, metanolo, acido acetico e acido formico — sono stati valutati sotto un set fisso di condizioni termochimiche ideali:

• Pressione in camera: 20 bar
• Rapporto di espansione dell'ugello: 40
• Temperatura del combustibile: 298 K
• Temperatura dell'ossidante (LOX): 90 K
• Sweep del rapporto O/F: da 0,5 a 8,0

Lo studio ha estratto metriche di prestazione chiave tra cui l'impulso specifico nel vuoto ($I_{sp,vac}$), la temperatura in camera ($T_c$), la velocità caratteristica ($c^*$), il coefficiente di spinta ($C_f$), il rapporto del calore specifico ($\gamma$) e il peso molecolare ($MW$) dei gas di scarico.

Per valutare la robustezza, gli autori hanno introdotto un indice di degradazione off-design ($\Delta I_{sp}$), calcolato come la perdita relativa di impulso specifico quando il rapporto di miscela devia dal punto ottimale del combustibile. Il valore medio, il 95° percentile e il valore massimo di questo indice sono stati utilizzati per riassumere la degradazione delle prestazioni attraverso lo sweep. L'analisi ha esplicitamente escluso perdite del mondo reale quali cadute di pressione degli iniettori, chimica a velocità finita, trasferimento di calore e massa del sistema di alimentazione.

Risultati Chiave

1. Classifica delle Prestazioni: L'RP-1 ha ottenuto il più alto impulso specifico nel vuoto campionato di 336,24 s a un rapporto O/F ottimale di 2,5. Il DME è stato il concorrente più vicino, raggiungendo 334,61 s a O/F = 1,5, con una differenza di soli 1,63 s. L'etanolo è seguito con 327,31 s (O/F = 1,5), mentre metanolo, acido acetico e acido formico hanno mostrato prestazioni progressivamente inferiori.
2. Driver Termodinamici: La classifica non è stata determinata esclusivamente dalla temperatura in camera. Sebbene l'RP-1 avesse la $T_c$ più alta (3477,44 K), le prestazioni del DME sono rimaste competitive nonostante una $T_c$ inferiore (3322,90 K) perché ha prodotto i prodotti di scarico in equilibrio più leggeri ($MW$ = 21,706) tra i principali candidati. L'RP-1 aveva un peso molecolare leggermente superiore (22,764).
3. Rapporti di Miscela Ottimali: I combustibili ossigenati hanno raggiunto il picco a rapporti O/F più bassi (1,5 per DME, etanolo e metanolo) rispetto all'RP-1 (2,5), in coerenza con il contenuto di ossigeno interno delle molecole di combustibile.
4. Comportamento Off-Design: L'RP-1 ha dimostrato la minore degradazione attraverso lo sweep O/F, confermando la sua robustezza. Tra i candidati rinnovabili, l'etanolo ha mostrato una degradazione media off-design leggermente migliore rispetto al DME, nonostante quest'ultimo avesse un $I_{sp}$ di picco più elevato. Il metanolo è stato sottoperformante sia in termini di valore di picco che di tolleranza. I combustibili acidi (acetico e formico) sono stati giudicati non competitivi a causa del basso rilascio di calore e dei prodotti di scarico pesanti.
5. Benchmarking: Il confronto con i dati di tipo CEA pubblicati (Burkhardt et al.) ha mostrato una tendenza delle prestazioni coerente (RP-1 > DME > Etanolo > Metanolo), sebbene i valori assoluti in questo studio siano stati circa il 4,3–5,0% inferiori, il che è attribuibile alle differenze nelle assunzioni di pressione e di stato iniziale.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento si posiziona strettamente come uno strumento di screening iniziale piuttosto che come uno studio definitivo di selezione del propellente. La sua principale significatività risiede nel fornire un dataset unificato che valuta simultaneamente sia le prestazioni ideali di picco che la tolleranza al rapporto di miscela.

• Per Applicazioni ad Alte Prestazioni: I risultati rafforzano l'RP-1 come il benchmark difficile da sostituire quando sono richiesti sia le prestazioni di picco che la tolleranza operativa.
• Per il DME: È identificato come il candidato ossigenato più forte per applicazioni che danno priorità alle prestazioni ideali di picco, poiché si avvicina molto all'impulso specifico dell'RP-1.
• Per l'Etanolo: Lo studio evidenzia l'etanolo come un candidato equilibrato. Sebbene il suo $I_{sp}$ di picco sia inferiore a quello del DME, la sua superiore degradazione media off-design suggerisce che possa essere una scelta più robusta per motori piccoli o dimostrativi dove la tolleranza al rapporto di miscela è più importante della prestazione assoluta di picco.

Limitazioni e Ambito
Gli autori dichiarano esplicitamente che questi risultati sono calcoli di equilibrio ideali. Lo studio non tiene conto di perdite dell'iniettore, atomizzazione, evaporazione, transitori di accensione, instabilità della combustione, trasferimento di calore alle pareti, raffreddamento rigenerativo, impulso di densità, dimensionamento dei serbatoi, tossicità o compatibilità dei materiali. Di conseguenza, i risultati sono destinati a guidare la selezione dei candidati per successive analisi CFD ad alta fedeltà, test di combustione (hot-fire) e progettazione a livello di sistema, piuttosto che dettare direttamente la selezione del propellente per il volo. Il documento conclude che il lavoro futuro dovrebbe incorporare la quantificazione dell'incertezza e condizioni operative variabili per perfezionare questi risultati di screening.