Sviluppo di tecniche per la produzione di gas freddi per applicazioni spaziali

The spacecraft’s attitude control systems use a great amount of valves that make possible to send the propellant to the nozzles. The propellant is stored mainly in liquid and solid state to optimize the mean density. The valves impose to the propellant gas some restriction, mainly about temperature and quality. The aim of this thesis is the study of a low temperature gas generator with solid propellant for attitude control. The main constrain concerns the temperature of gas that can’t exceed 1000 K. Two techniques for cold gas production are taken into account: the first one is based on a solid propellant with cooled formulation while the second uses a filter that decrease the temperature of hot gases. The main topic is the study of propellant based on HTPB and AP with azodicarbonamide, a component used as non-toxic gas generator in airbag technology. Some cooling agent can be added to the compound, with particular attention to titanium oxide. An experimental analysis is conducted to characterize the propellant flame temperature, misured with S-type thermocouples, burning rate, misured with fused wires technique, and to verify the presence of solid residuals into the combustion products. After that a feasibility study is conducted to characterize the filter made with a polyurethane foam that cool down the hot gases generated during the combustion of the propellant; the cooling effect is obtained by decomposition of azodicarbonamide that subtract heat from the hot gases. For each foam density and porosity are measured and the effectiveness of azodicarbonamide as cooling agent is checked.

I sistemi per il controllo d’assetto di satelliti e lanciatori sfruttano in genere valvole multi-via che indirizzano un propellente verso una serie di ugelli. Oltre che in forma gassosa, il propellente utilizzato può essere stoccato anche in forma liquida o solida per ottimizzarne la densità media. Le valvole multi-via impongono al gas propellente una serie di restrizioni per consentire il loro funzionamento ottimale, principalmente riguardanti temperatura e qualità del gas prodotto. Lo scopo di questa tesi è lo studio di un sistema di generazione di gas freddi a carica solida da utilizzare comemetodo di stoccaggio e produzione da applicare ad un sistema di controllo d’assetto. I vincoli imposti riguardano principalmente la temperatura dei gas prodotti, che non deve eccedere i 1000 K circa. La ricerca si è concentrata principalemente su due tecniche di produzione dei gas: la prima sfrutta un propellente solido raffreddato e la seconda sfrutta un filtro in grado di ridurre la temperatura di gas caldi. Lo studio sui propellenti si è concentrato su formulazioni a base di HTPB e AP con l’aggiunta di azodicarbonamide, un componente generalmente impiegato come generatore di gas negli airbag e che ha il vantaggio di non essere tossico. È stata inoltre studiata la possibilità di aggiungere alle formulazioni degli agenti raffreddanti, con particolare attenzione all’ossido di titanio. L’analisi sperimentale su questo tipo di propellenti si è concentrata sulla misura della temperatura dei gas prodotti mediante termocoppie di tipo S, della velocità di regressione mediante fili a rottura e di verifica della presenza dei residui di combustione. Successivamente si è passati allo studio del filtro, formato da una schiuma poliuretanica in grado di ridurre la temperatura dei gas prodotti dalla combustione di un propellente; tale sistema si basa sulla decomposizione dell’azodicarbonamide per assorbire calore dai gas caldi che passano attraverso la schiuma. Per le schiume realizzate si è provveduto a valutare la densità e la porosità, parametri fondamentali per caratterizzarle, oltre a verificare l’effettivo funzionamento dell’azodicarbonamide come agente raffreddante.