Functional modeling of Ariane 6 upper liquid propulsion module

The internship goal was the construction of a numerical 0-D model of the Auxiliary Power Unit (APU), a sub-system of Ariane 6 Upper Liquid Propulsion Module (ULPM). This model is required by CNES as a numerical test-bench in order to perform transient and steady-state simulations and to analyze the APU working behavior. Starting from the technical data provided by ArianeGroup (no test results were available at the time of the study), the following elements were modeled: - cryogenic liquid and cold gas lines, including valves and orifices; - injectors, combustion chamber and nozzle; - heat exchanger. The model was based on the data available for the main operating points (oxygen tank pressurization, hydrogen tank pressurization, thrust generation mode). Steady state simulations showed an error with respect to the reference points inferior to 1%. Transient simulations allowed to obtain the working envelops and time evolution charts of the APU physical properties. Future developments can be already identified starting from the limitations of the model: - introduction of the cryogenic liquids pumps dynamics; - refinement of transient characterization using the test data, when available; - extension of the model validity beyond the main working points and the transients between them (initial start-up transient, flushing. . . )

Lo scopo dello stage era la costruzione di un modello 0-D dell’Auxiliary Power Unit (APU), un sottosistema dello stadio superiore (Upper Liquid Propulsion Module, ULPM) di Ariane 6, il nuovo lanciatore europeo. Tale modello é richiesto dallo CNES, il centro spaziale Francese, come banco di prova numerico utilizzabile per effettuare simulazioni stazionarie e transitorie es analizzare il funzionamento dell’APU. A partire dai documenti tecnici forniti da ArianeGroup (i risultati dei test svolti a luglio 2017 non erano ancora disponibili quando lo studio é stato effettuato) i seguenti elementi sono stati modellizati: - linee dei propellenti criogenici e dei gas freddi; - iniettori, camera di combustione e ugello di scarico dei gas di combustione; - scambiatore di calore. Il modello é stato creato a partire dei dati disponibili per i tre modi di funzionamento principali dell’APU (pressurizzazione del serbatoio di idrogeno liquido, pressurizzazione del serbatoio di ossigeno liquido, generazione di spinta propulsiva). le simulazioni stazionarie hanno mostrato che l’errore del modello rispetto ai dati di referenza é inferiore all’1%. Le simulazioni transitorie hanno permesso di ottenere gli inviluppi di funzionamento e le evoluzioni temporali delle proprietà fisiche dell’APU. Partendo dalle limitazioni di questo modello, degli sviluppi futuri possono essere identificati: - introduzione della dinamica delle pompe di alimentazione dei liquidi criogenici; - miglioramento della caratterizzazione dei transitori a partire dei dati sperimentali delle prove al banco; - estensione della validità del modello oltre i punti di funzionamento principali e il transitorio tra di essi (transitorio di accensione iniziale, ventilazione. . . )