Physical modeling of rocket engine components in the European space propulsion system simulation environment for Airbus Safran launchers use

Models are regularly used in everyday life. They provide simplified representations of situations to assist in working with them in a systematic manner. Complicated phenomena and processes often occur in engineering systems. For this reason most of research works in this domain spend significant time to model and simulate these various complicated phenomena and processes. The present work is devoted to the analysis and validation of components used for modeling rocket engines inside the European Space Propulsion System Simulation (ESPSS) environment, a set of components libraries for modeling spacecraft and launch vehicle propulsion systems under transient and steady conditions. The ESPSS is based on PROOSIS, the currently state-of-the-art user-friendly simulation software for modeling simple and complex physical processes expressing the behavior in terms of differential algebraic equations and discrete events. The components of the STEADY Library of the ESPSS are analyzed in this work. This library contains a complete set of ready to use components (combustors, nozzles, turbines, pumps, cooling-jackets, pipes and valves) for calculating the steady performances of liquid rocket engine cycles under design and analysis (offdesign) conditions. The components physics and hypotheses taken into account in the model are first investigated. Then design and off-design models are built to test the components both in the reference condition (design calculations) and in other conditions different from the design (off-design calculations). The components are validated with the corresponding components developed in different libraries and codes inside the Liquid Propulsion System Department of Airbus Safran Launchers, site of Vernon, where the present work has been conducted. Modifications done inside the code of some ESPSS components are presented to improve the modeling and critical conclusions are drawn. A rocket engine model is presented at the end of this work to integrate the analyzed and modified components in a complete liquid propellants engine cycle.

I modelli sono regolarmente utilizzati nella vita di tutti i giorni, fornendo rappresentazioni semplificate di situazioni e assistendo così in modo sistematico nel lavoro con esse. Complicati fenomeni e processi si verificano spesso in sistemi di ingegneria. Per questo motivo la maggior parte dei ricercatori in questo settore spende molto tempo per modellare e simulare questi vari fenomeni e processi. Il presente lavoro è dedicato all'analisi e alla validazione dei componenti usati per la modellizzazione dei motori a razzo all'interno dell’ambiente Europeo di Simulazione dei Sistemi di Propulsione Spaziale (ESPSS), un insieme di librerie di componenti per la modellizzazione di sistemi di propulsione di veicoli spaziali e di lancio in condizioni transitorie e stazionarie. L’ESPSS si basa su PROOSIS, l’attuale software all'avanguardia di simulazione user-friendly per la modellizzazione di processi fisici semplici e complessi espressi sotto forma di equazioni algebriche differenziali ed eventi discreti. I componenti della libreria stazionaria ESPSS sono analizzati in questo lavoro. Questa libreria contiene un set completo di componenti pronti all'uso (combustori, ugelli, turbine, pompe, circuiti di raffreddamento, tubi e valvole) per il calcolo delle prestazioni in regime stazionario di cicli motore a razzo con propellente liquido in condizioni di progettazione ed analisi (off-design). La fisica dei componenti e le ipotesi prese in considerazione sono inizialmente indagate. Successivamente modelli di design e off-design sono costruiti per testare i componenti sia in condizione di riferimento (calcoli di progetto) che in altre condizioni al di fuori di questa (calcoli di analisi). I componenti sono validati con i corrispondenti componenti sviluppati in diverse librerie e codici all'interno del dipartimento Liquid Propulsion System di Airbus Safran Launchers, sede di Vernon, dove il presente lavoro é stato svolto. Modifiche eseguite nel codice di alcuni componenti ESPSS sono presentate per migliorare la modellizzazione e conclusioni critiche sono tratte. Il modello di un motore a razzo è infine presentato in questo lavoro per integrare i componenti analizzati e modificati in un ciclo motore completo a propellente liquido.