O-ring per l'orbita
Published by Angst+Pfister on February 2021
Quando giovani ingegneri appassionati inseguono il sogno dello spazio, Angst+Pfister è felice di aiutarli a realizzarlo – fornendo una varietà significativa di competenze ed esperienze tecniche “terrestri” per i loro bisogni speciali. Per vincere un concorso internazionale relativo ai razzi, gli studenti dello Swiss ARIS and Rocket Project si sono affidati alle tenute di Angst+Pfister.
Un ambizioso team di studenti del Politecnico Svizzero di Zurigo (ETHZ) punta alle stelle – in linea con la tradizione dell'istituto di formazione svizzero di fama internazionale, che ha prodotto non meno di 21 premi Nobel. Là, dove l'aria è davvero rarefatta, gli studenti vogliono lanciare un razzo ibrido.
Un passo alla volta nella stratosfera
"ARIS" è l'acronimo dell'Iniziativa Accademica Svizzera per il viaggio spaziale. È stata fondata nel 2017 da studenti dell’ETHZ e si avvale anche del know- how delle vicine università scientifiche di Zurigo e Lucerna, lavorando in stretta collaborazione con l'industria svizzera innovativa. Gli studenti vedono lo spazio come un campo di attività e di business promettente. Con la loro iniziativa vogliono ispirare la prossima generazione, per la quale lo spazio dovrebbe diventare qualcosa di più di un sogno. Entro il 2029, ARIS vuole essere in grado di raggiungere l'orbita realizzando questo piano passo dopo passo. Come prossima tappa, gli studenti si sono prefissati di vincere la Spaceport America Cup in New Mexico come prossimo obiettivo, inizialmente nella categoria "30.000 piedi" – per questo il razzo deve raggiungere nel modo più preciso possibile i 30.000 piedi, circa 9.100 metri.
Il sottoprogetto "Eulero 2020" è un omaggio al matematico svizzero Leonhard Euler, una delle menti più brillanti del XVIII secolo. Nel corso del progetto, i 30.000 piedi saranno inizialmente raggiunti utilizzando un propulsore commerciale. Allo stesso tempo, un altro gruppo di studenti sta lavorando al sottoprogetto "Iride 2020", che sta sviluppando e testando il proprio propulsore. Un’altra squadra di studenti lo installerà poi nel razzo nel corso del 2021 ed effettuerà il primo volo. Questi studenti non mancano certo di ambizione.
Una passione condivisa per la tecnologia
I precedenti sottoprogetti di ARIS avevano già utilizzato prodotti di Angst+Pfister. "Le guarnizioni sono estremamente importanti per il propulsore", dice lo studente dell'ETHZ Julius Wymann. "Se non funzionano, possono determinare una perdita di potenza e danni al sistema. Per questo ci serviva un know-how specialistico e professionale che andasse oltre le classiche soluzioni di tenuta e così abbiamo bussato di nuovo alla porta di Angst+Pfister". Lì hanno incontrato Yves Riedo, Ingegnere Senior Sealing Technology, che è stato immediatamente impressionato dall'energia del team di studenti. Julius Wymann spiega: "Siamo affascinati dai propulsori e tutti noi condividiamo questa passione. L'interazione tra potenza, controllo ed eleganza è estremamente accattivante, le vibrazioni di un propulsore a razzo non sono comparabili a nient’altro".
Tuttavia, quando si è entrati nel mondo delle guarnizioni gli studenti hanno raggiunto un territorio per loro inesplorato molto meno famigliare. "Il dimensionamento esatto è una scienza in sé", dice Julius Wymann. In particolare, avevano espresso difficoltà nella progettazione della tenuta dell'ugello. È costituito da rame, che si espande fortemente alle alte temperature. "Un sistema di tenuta per gli O-ring sembra semplice", dice Yves Riedo. Tuttavia, le condizioni di spazio, l'esatta pressione esercitata sull’O-ring e i mutevoli stati aggregati delle sostanze rendono la questione piuttosto complessa se i materiali si espandono in modo diverso. "La progettazione della scanalatura, lo spazio di installazione dell’O-ring, e la scelta del materiale richiedono un grande know-how ed esperienza".
Materiali per prestazioni al top
Gli studenti avevano anche bisogno di materiali speciali che potessero resistere a carichi estremi. E per fare questo Yves Riedo ha dato fondo al materiale in cassaforte: "Tra le altre cose, abbiamo usato il Kalrez® per diverse migliaia di euro al chilogrammo. Il materiale consente agli studenti di effettuare il maggior numero possibile di prove - senza dover smontare ogni volta l'azionamento per sostituire le guarnizioni.
"Dopotutto, per vincere, devono essere migliori della concorrenza", dice Yves Riedo strizzando l’occhio. Il propulsore richiedeva un intero sistema di tenuta composto da 17 O-ring in sei diverse dimensioni e una combinazione di cinque diversi materiali. C’è bisogno di guarnizioni tra l’iniettore e la camera di combustione, tra la camera di combustione e l'ugello di uscita, il sistema di raffreddamento all'interno dell'ugello con i corrispondenti collegamenti sulla custodia, la camera di distribuzione e vari sensori all'interno dell'iniettore (vedi schema). Oltre al Kalrez® (FFKM) sopra menzionato, sono stati utilizzati i seguenti materiali: un elastomero etilene-propilene-diene monomerico (EPDM), un fluoroelastomero (FKM) e un fluoroelastomero (FKM) con rivestimento FEP senza saldatura (FEP-O-Seal®).
Kalrez® è un marchio DuPont™. Il logo ovale di DuPont, DuPont™, e tutti i prodotti contrassegnati con ™ o ® sono marchi commerciali registrati o marchi commerciali di DuPont de Nemours, Inc. o delle sue società affiliate.
Il propulsore in sezione trasversale
A sinistra si trova la piastra dell'iniettore per l'agente ossidante liquido che al momento dell'iniezione viene nebulizzato e vaporizzato. L'iniettore deve rimanere sigillato per entrambi gli stati fisici. L'agente ossidante reagisce poi con il combustibile gradualmente vaporizzato (grano) nella camera di combustione. La pressione viene generata dalla combustione della miscela di gas, che viene trasformata in energia cinetica per mezzo degli ugelli in rame Laval. La spinta del motore viene quindi generata secondo il principio del razzo.
Il propulsore viene rifornito con un agente ossidante esplosivo, che viene riscaldato per raggiungere una pressione di circa settanta bar. Durante il funzionamento si hanno, nell'iniettore, temperature sotto lo zero di breve durata, e anche temperature fino a 2800 gradi nella camera di combustione. Il sistema di tenuta è quindi confrontato con carichi chimico-termici estremi e deve funzionare in modo affidabile più volte. "Usiamo il protossido di azoto come agente ossidante combusto con il sorbitolo. Contiene anche paraffina e alluminio ", dice lo studente dell'ETHZ. "Il materiale speciale che abbiamo scelto di utilizzare ci dà una tenuta pulita sugli ugelli di uscita in rame, indipendentemente dalle temperature o dalle dimensioni dello spazio di espansione. Le guarnizioni sull'iniettore, nel frattempo, soddisfano pienamente i requisiti del protossido di azoto". Con il New Mexico chiaramente in vista: non sarà una questione di materiali....
Conclusione
Il viaggio nello spazio è irto di complessità, dall'ingegneria precisa dei motori dei razzi all'ambiente spietato del cosmo. Tuttavia, grazie alla collaborazione e alla passione condivisa, il team ha affrontato queste sfide con determinazione e ingegno. Il progetto ARIS non rappresenta solo una ricerca di progresso scientifico, ma anche un'opportunità per ispirare le generazioni future e ridefinire i confini del possibile.
Mentre il team punta alla Spaceport America Cup in New Mexico e oltre, la partnership tra Angst+Pfister e gli studenti dell'ETHZ è un faro di innovazione e cooperazione nella ricerca dell'esplorazione. Insieme, stanno dimostrando che con la dedizione, la competenza e una visione condivisa, anche le stelle sono a portata di mano.
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