Il perossido d'idrogeno nell'attuale scenario della propulsione spaziale

Il perossido d'idrogeno nell'attuale scenario della propulsione spaziale

Negli ultimi anni sta costantemente aumentando l'interesse nella ricerca di soluzioni alterna- tive alla combinazione, ampiamente utilizzata, di propellenti criogenici e ipergolici nell'ambito

verso la riduzione dei costi, da considerazioni ambientali e dalla necessità di ridurre i rischi del personale che lavora con propellenti tossici. C'è da aggiungere inoltre la consapevolezza che per molte applicazioni il solo impulso specifico non è il criterio più appropriato per scegliere il sistema propulsivo.

I recenti sviluppi nei materiali e nelle tecnologie di fabbricazione stanno offrendo ai progettisti la possibilità di abbandonare i tradizionali propellenti in favore di soluzioni tecnicamente valide ed affidabili che consentono di abbattere i costi e di risultare economicamente convenienti. Sono diventati quindi particolarmente attraenti i cosiddetti 'propellenti verdi', caratterizzati da una bassa tossicità e da una certa facilità nello immagazzinamento. Il principale vantaggio offerto da questi propellenti è la riduzione dei costi, soprattutto quelli operativi nella fase di produzione a terra, dovuta ad una drastica semplificazione delle procedure di immagazzinamento e di manipo- lazione. Questo vantaggio si rivela significativo soprattutto nello sviluppo di propulsori a media e a bassa spinta per piccole missioni.

I propellenti verdi più promettenti in termini di prestazioni, come i propellenti basati sul- l'ADN (Ammonium DiNitramide) o sull'HAN (Hydroxyl Ammonium Nitrate), raggiungono decomponendosi elevate temperature operative, richiedendo l'uso di materiali e di processi di fabbricazione particolari e costosi.

In questo scenario si inserisce il perossido d'idrogeno: sebbene non consenta di raggiungere le prestazioni fornite dall'ossigeno liquido come comburente o dall'idrazina come monopropellente, presenta tuttavia alcune caratteristiche che lo rendono la scelta ideale per la propulsione a basso costo.

I vantaggi del perossido d'idrogeno

Storicamente il perossido d'idrogeno è stato utilizzato come monopropellente e come ossi- dante liquido. E'stato il primo monopropellente ad essere ampiamente utilizzato fino all'avvento dell'idrazina con elevato grado di purezza e di catalizzatori affidabili e di lunga durata: questo sviluppo tecnologico ha permesso all'idrazina di sostituire il perossido d'idrogeno nei propulsori dei sistemi di reazione e controllo (Reaction Control System, RCS) e di conservare fino ad oggi questa posizione.

Le caratteristiche che hanno reso il perossido d'idrogeno un propellente attraente nel passato e che ora sono state nuovamente riscoperte sono di seguito elencate e brevemente discusse.

. Non tossico Il perossido d'idrogeno è considerato non tossico perchè i suoi effetti sull' uomo sono minori rispetto a quelli di altri propellenti, perchè il corpo umano lo decompone natu- ralmente e perchè è difficile introdurlo nel corpo se è adeguatamente maneggiato. Infatti, un contenitore aperto di perossido d'idrogeno a temperatura ambiente e in un' area oppor- tunamente ventilata non comporta un'esposizione letale a causa della sua bassa pressione di vapore. Da questo punto di vista, la differenza col tetrossido d'azoto è notevole perchè quest ultimo produce con grande velocità fumi estremamente tossici.

Il  confronto tra l'idrazina ed i suoi derivati ed il perossido d'idrogeno è a netto favore di quest ultimo: l'idrazina è infatti estremamente tossica, cancerogena ed esplosiva. La consapevolezza della sua tossicità ha fatto ridurre costantemente negli anni il limite di esposizione umana. Questo ha fatto alzare i costi di missione legati al propellente, mentre l'evoluzione tecnologica ha fatto ridurre i costi medi del carico pagante: l'effetto combinato di questi due andamenti ha notevolmente aumentato l'incidenza dell'idrazina sui costi dei

satelliti con spinta medio-bassa. E'questo il principale motivo che ha risvegliato l'interesse verso soluzioni alternative economiche, come appunto il perossido d'idrogeno.

. Prestazioni accettabili come monopropellente. Le prestazioni propulsive variano con la concentrazione del perossido d'idrogeno e sono più basse del 20% di quelle dell' idrazina, come riportato nelle figure 1.1 e

Figura 1.1: L'impulso specifico nel vuoto del perossido d'idrogeno al variare della concentrazione. (da

M. Ventura e P. Mullens [4].)

Figura  1.2: L'impulso specifico nel vuoto del perossido d'idrogeno, per differenti concentrazioni, e dell' idrazina in funzione del rapporto d'espansione dell'ugello. (da M. Ventura e P. Mullens [4] )

Tuttavia la riduzione dei costi consentita dall'uso del perossido d'idrogeno rende questo pro- pellente una valida alternativa per quelle missioni per le quali le considerazioni economiche sono più importanti delle considerazioni prestazionali.

. Potente ossidante liquido. Il perossido d'idrogeno ha delle prestazioni paragonabili a quelli di altri ossidanti liquidi, come il tetrossido d'azoto, l'acido nitrico e persino l'ossigeno liquido. Nelle figure 1.3 e 1.4 è proposto il confronto tra il perossido d'idrogeno e gli altri ossidanti nelle configurazioni, rispettivamente, bipropellente ed ibrida.

. Elevata densità Il perossido d'idrogeno ad elevate concentrazioni ha una densità parago-

Figura  1.3: L'impulso specifico nel vuoto di razzi bipropellenti: confronto tra il perossido d'idrogeno a differenti concentrazioni ed altri ossidanti in combinazione con vari combustibili. (da M. Ventura e P. Mullens [4].)

Figura 1.4: L'impulso specifico nel vuoto in razzi ibridi: confronto tra il perossido d'idrogeno ed altri ossidanti. (da M. Ventura e P. Mullens [4].)

liquido. Questo consente di ridurre il volume e la massa del serbatoio e di avere un elevato impulso specifico volumetrico, come riportato in figura 1.5.

. Propellente stoccabile Il perossido d'idrogeno è liquido a temperatura ambiente e rimane in questo stato per un ampio intervallo di temperature. Può essere conservato per lunghi periodi di tempo in serbatoi opportunamente progettati.

. Bassa pressione di vapore. Questa caratteristica consente il pompaggio con basse pressioni di ingresso.

. Non reagente con l'atmosfera. Al contrario dell'idrazina, il perossido d'idrogeno non reagisce con alcun composto dell'atmosfera. Questo aspetto è importante in quelle applicazioni dove

Figura  1.5: L'impulso specifico volumetrico ideale di alcuni bipropellenti in funzione del rapporto di miscela ossidante/combustibile.

qualche componente del sistema propulsivo deve essere esposto all' atmosfera: questa con- dizione potrebbe rivelarsi pericolosa se si utilizzasse idrazina, che può formare, reagendo con il biossido di carbonio presente nell'atmosfera, prodotti capaci di attaccare i materiali del propulsore.

. Elevati rapporti ossidante/combustibile. L'impulso specifico del perossido d'idrogeno, quan- do utilizzato come ossidante, presenta tipicamente un massimo per alti rapporti ossi- dante/combustibile. Questo aspetto, insieme all'elevata densità del perossido d'idrogeno, permette di realizzare sistemi propulsivi più compatti.

. Elevato calore specifico Questo aspetto consente al perossido d'idrogeno di poter essere utilizzato efficacemente come refrigerante in propulsori raffreddati rigenerativamente.

. Possibilità di usare l'acqua come liquido di riferimento Questo aspetto consente di svilup- pare e qualificare più semplicemente l'intero sistema propulsivo.

. Versatilità Il perossido d'idrogeno può essere utilizzato in un unico sistema come ossidante per il motore principale, come monopropellente per il sistema di controllo e reazione, come generatore di gas per guidare le turbopompe.

. Compatibilità con molti gas pressurizzanti come l'azoto o l'argon.

Attuali applicazioni del perossido d'idrogeno

I progetti più significativi che prevedono l'utilizzo di perossido d'idrogeno ad elevata con- centrazione si stanno realizzando negli Stati Uniti ed in Inghilterra e sono qui brevemente illustrati.

. Spacecraft Reaction Control Il Lawrence Livermore National Laboratory sta lavorando a micro-propulsori da 6 lbf e a un piccolo generatore di gas, che operano con perossido d' idrogeno all'85%.

. Upper Stage Main Propulsion . L'Orbital Science Corporation sta sviluppando un motore bipropellente da 10000 lbf per la propulsione dello stadio finale.

. Lanciatore Commerciale BA-2. La Beal Aerospace ha l'ambizioso programma di una piat- taforma di lancio che utilizza in ogni stadio perossido d'idrogeno e kerosene JP. Le spinte per il primo, secondo e terzo stadio sono rispettivamente di 3200000 lbf (in vuoto), 800000 lbf e 30000 lbf.

. Ricerca e sviluppo della formulazione di un combustibile ipergolico La Naval Air War- fare Weapons (NAWC) sta conducendo ricerche con varie formulazioni di combustibile per sviluppare l'autoaccensione con il perossido d'idrogeno.

. Ricerca su razzi ibridi. Dal 1991 la Purdue University e la University di Surrey stanno conducendo ricerche su letti catalitici, formulazioni ipergoliche e motori ibridi.