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I

CIRA-CF-16-0134 0

RISTRETTO IMP-LP 15-COM-0037 1100

/CIRA/HPRB 0013DELIVERABLE

Descrizione sommaria dell'Impianto Integrato di Propulsione Spaziale I2PS

Elia Gianpaolo(HPRB)

Favaloro Nunzia(HPRB)

Favaloro Nunzia(HPRB)

Salvatore Vito(IMPR)

3+13

24/02/2016 24/02/2016 24/02/2016 24/02/2016

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II

CIRA-CF-16-0134 0

Descrizione sommaria dell'Impianto Integrato di Propulsione Spaziale I2PS

Il presente documento riporta iuna descrizione sommaria dell'Impianto Integrato I2PS da realizzarepresso il CIRA, nell'area 19 .

Elia Gianpaolo;Favaloro Nunzia;Smoraldi Antonio

Favaloro Nunzia;Battista Francesco;Baldascino Francesco

Favaloro Nunzia

Salvatore Vito

Salvatore Vito

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* PT = PARTIAL

A = ALL

III

CIRA-CF-16-0134 0

GRIM Cangiano Pasquale

Impianto Integrato per la Propulsione

Spaziale I2PS

Descrizione sommaria dell’Impianto Integrato

di Propulsione Spaziale I2PS

REVISION HISTORY

N. DATE EDITOR CHANGES

CIRA-CF-16-0134 Rev. 0 P. 2/13

SommarioSommarioSommarioSommario

1.1 Applicabilità 4

1.2 Documenti applicabili 4

1.3 Documenti di riferimento 4

1.4 Terminologia ed Acronimi 4

2. Premessa 5

3. Descrizione sommaria dell’impianto I2PS 6

Indice delle Indice delle Indice delle Indice delle FigureFigureFigureFigure

Figura 1 - Ipotesi di posizionamento delle aree di intervento in Area 19 ........................................................ 11

Figura 2 - Dettaglio delle zone di intervento in Area 19 – Posizionamento cabina elettrica e pipe rack ........ 12

CIRA-CF-16-0134 Rev. 0 P. 3/13

1. Introduzione

1.1 Applicabilità

Il presente documento, redatto nell’ambito del Progetto IMP-LP (Impianti Propulsione

Liquida), costituisce parte integrante della documentazione inclusa nella Progettazione

Preliminare dell’Impianto Integrato per la Propulsione Spaziale a Liquido, denominato I2PS.

1.2 Documenti applicabili

DA [1]

DA [2]

DA [3]

1.3 Documenti di riferimento

I documenti di riferimento di seguito elencati possono essere utilizzati al fine di trarre: linee guida,

dati di confronto ed informazioni suppletive per la migliore comprensione dell’opera.

DR [1]

DR [2]

DR [3]

1.4 Terminologia ed Acronimi

ATEX ATmosphères EXplosibles

CIRA Centro Italiano Ricerche Aerospaziali

DAS Data Acquisition System

DCS Distributed Control System

GOx/LOx Ossigeno Gassoso/Liquido

GCH4/LCH4 Metano Gassoso/Liquido

HC Idrocarburo

I2PS Impianto Integrato di Propulsione Spaziale

MIUR Ministero dell’Istruzione dell’Università e della Ricerca

MTP Methane Thermal Properties

N2 Azoto

N2O Ossido di diazoto

PLC Programmable Logic Controller

TVCC Sistema di videosorveglianza a circuito chiuso

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2. Premessa

Il CIRA, come da sua missione, è deputato alla creazione di know-how per supportare

l’industria nazionale e per cooperare con i partner europei su progetti di rilevanza

internazionale. Il Centro punta, quindi, ad accreditarsi come centro di eccellenza per lo

sviluppo della propulsione spaziale in generale, e liquida, in particolare. Per poter assolvere

a tale missione il CIRA ha deciso di dotarsi di un “Impianto Integrato di Propulsione

Spaziale” abbreviato in “I2PS” in grado di consentire test su camere di spinta di motori

spaziali di diversa classe di spinta. In particolare, in accordo al programma per la

realizzazione di Nuovi Impianti ed Infrastrutture di Ricerca per la Propulsione Spaziali, il

CIRA ha avviato il progetto IMP-LP che ha come obiettivo principale la progettazione e

realizzazione dell’impianto di prova denominato HYPROB-PLUS. Tale impianto ha come

fine quello di permettere al Centro di sviluppare e consolidare le proprie capacità

sistemistiche e tecnologiche nell’ambito della propulsione a razzo, con specifico riferimento

alla tecnologia a ossigeno e metano liquidi (LOx/LCH4) e ossigeno e metano gassosi

(GOx/GCH4).

La spinta massima dei dimostratori testati in tale impianto sarà di 100 kN. Tale struttura sarà

anche in grado di permettere il test di motori ibridi alimentati con O2 o, alternativamente, con

N2O. Al tempo stesso, per rispondere agli obiettivi del programma HYPROB, avviato nel

2010 sulla base di un finanziamento del MIUR, è prevista la realizzazione presso il CIRA di

un impianto chiamato HYPROB-IMP costituito da un laboratorio dedicato alle attività di

ricerca sperimentale sulle camere di combustione dei propulsori Ox/HC, la cui area di test

sarà dotata di una sala per la diagnostica ottica avanzata. Nello specifico, il test bench dovrà

essere idoneo all’esecuzione di prove su test articles rappresentativi di piccole camere di

combustione, alimentate con Ox/CH4, sia in fase liquida che gassosa, dotate di un numero

limitato di iniettori e capaci di sostenere pressioni in camera sino a 7 MPa.

Le spinte massime prodotte dai dimostratori di questo impianto saranno di 6 kN. L’impianto,

così come per HYRPOB-PLUS, sarà capace di alimentare dimostratori ibridi alimentati ad

O2 ed N2O.

L’area individuata per la realizzazione dell’impianto integrato è la n. 19 all’interno del

comprensorio CIRA. Nel seguito del documento con I2PS si intenderà l’insieme di due

impianti di prova, chiamati rispettivamente “HYROPB-PLUS” ed “HYPROB-IMP” e di tutte

le opere civili e tecnologiche a servizio delle attività che in quell’area andranno a svolgersi.

L’impianto integrato, I2PS, si avvarrà di tutte le infrastrutture civili e tecnologiche necessarie

al corretto svolgimento delle proprie funzioni, tra le quali un’area di assemblaggio,

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integrazione ed analisi dati comune alle due facility, ed una sala controllo per la gestione

complessiva dell’impianto.

3. Descrizione sommaria dell’impianto I2PS

Il progetto, in sintesi, prevede la realizzazione di diverse aree di cui, nel seguito, si fornisce

una breve descrizione (Figura 1, Figura 2):

� Fabbricato principale: si prevede la realizzazione di un fabbricato ad un piano

posto a distanza di sicurezza dalla zona di sparo. Tale fabbricato ospiterà i servizi a

supporto dei test e potrà essere abitato durante la loro esecuzione. Tale struttura

sarà composta da uffici, sala di assemblaggio ed integrazione, control room e idonei

servizi per gli addetti, quali servizi sanitari e spogliatoio. Queste aree sono intese a

servizio di entrambi gli impianti che costituiscono I2PS. In particolare, gli uffici

dovranno prevedere la presenza di almeno sette postazioni di lavoro ed una sala

riunioni adeguata. Gli allestimenti delle aree ospitate da tale fabbricato saranno

funzionali alle attività da svolgersi. Di seguito una breve descrizione delle aree da

prevedere nel fabbricato principale:

La “sala di assemblaggio ed integrazione”, dove avverrà l’integrazione meccanica

dei motori ed i leak proof test dei loro sotto-assiemi, consisterà in una sala di almeno

80 m2 e sarà quindi servita da una linea di N2 ad alta pressione per lo svolgimento di

tali test e di tutta la strumentazione necessaria per l’assemblaggio e l’integrazione di

motori. Vi saranno altresì punti di lavoro con aria strumenti, aria servizi, prese di

energia elettrica e disponibilità di acqua demineralizzata. Dato il tipo di operazioni da

eseguire in tale ambiente, la pavimentazione sarà di tipo industriale con opportuno

trattamento protettivo superficiale e rivestimento in linoleum. Le bombole di azoto

necessarie per i test di tenuta in pressione saranno allocate in un’area adiacente la

sala, posta in ambiente aperto. L’accesso alla sala di assemblaggio ed integrazione,

dall’esterno, sarà garantito da una rampa e da un portellone di dimensioni adeguate,

tale da consentire il passaggio di un carrello per la movimentazione del motore. Le

pareti di tale stanza saranno attrezzate con armadi utensili per la strumentazione,

con un banco di lavoro principale, con una vasca lava minuteria ed una vasca per il

lavaggio completo del motore.

La “control room” di I2PS avrà una dimensione non inferiore ai 90 m2 ed ospiterà i

computer, gli schermi di controllo, il sistema di videosorveglianza a circuito chiuso

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(TVCC) e tutti i dispositivi necessari al controllo e monitoraggio della facility. Questa

stanza, controllata in termini di temperatura e umidità, ospiterà il DCS/PLC

dell’impianto I2PS, le infrastrutture relative alla rete fonia e dati e tutti i componenti

necessari al controllo del test bench. Questa area sarà occupata da personale

qualificato durante l’esecuzione dei test a fuoco e sarà progettata per garantire la

massima sicurezza del personale.

E’ inoltre previsto, all’interno del fabbricato, un locale tecnico di circa 6 m2;

� Fabbricato Laser Room: Un secondo fabbricato sarà realizzato e destinato a

laboratorio di diagnostica ottica. Esso sarà asservito al solo impianto di ricerca

HYPROB-IMP e sarà dunque attiguo alla test fire area di tale impianto. Questa area

sarà composta da una “laser room” di circa 80 m2, un locale per ospitare il DAS del

dimostratore, servizi sanitari ed uno spogliatoio. Per la peculiarità della

strumentazione ospitata in sala laser, il calpestio sarà costituito da un pavimento

industriale trattato superficialmente in modo da garantire un elevato livello di pulizia

e manutenibilità. La superficie sarà livellata e garantirà la corretta movimentazione

degli apparati ottici da essa ospitati. La sala laser ospiterà infatti, oltra alla

strumentazione laser, tutte le apparecchiature, ottiche e non, atte alla corretta

caratterizzazione delle prove sperimentali. In questa stanza saranno preparati e

posizionati i setup sperimentali per la diagnostica ottica ed intrusiva. La sala laser

sarà posizionata immediatamente alle spalle della test fire area in modo da ridurre

l’attenuazione del fascio laser dalla sorgente al test article. Il muro di separazione tra

detta sala e la test fire area, in calcestruzzo armato, sarà adeguatamente

dimensionato tenendo conto del pericolo di scoppio. Il muro di separazione ospiterà

un vetro flangiato trasparente al fascio laser, facilmente sostituibile, e di dimensioni

adeguate al suo corretto passaggio, e all’esecuzione dei test. La sala laser ospiterà

un burner per la calibrazione del laser e per esperimenti di diagnostica ottica. La zona

interessata dal burner sarà coperta da una opportuna cappa di aspirazione che

garantirà la sicurezza necessaria per tali esperimenti. L’accesso alla sala laser sarà

garantito da una rampa e da un portellone di dimensioni tali da consentire il

passaggio della strumentazione necessaria;

� Zona Operativa: E’ la zona, prevista tra le celle di prova ed il fabbricato principale,

deputata allo stoccaggio dei liquidi e dei gas nonché degli impianti tecnologici. Una

lista di elementi da essa ospitati, da non intendersi come esaustiva, è costituita da:

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serbatoi di stoccaggio (LN2, LOx, N2 ed acqua demi), catch tank LCH4, storage tank

LCH4, run tank LOx-LN2O e CH4, K.O. Drum del metano, evaporatori e riscaldatore

ad aria, la torcia CH4 ed il camino (Ox ed N2O), la pompa LN2, il liquefattore GCH4

ed i pacchi bombole GOx e GCH4.

Le due aree di prova “test fire” per HYPROB-PLUS ed HYPROB-IMP ospiteranno

i test stand sui quali saranno montati i dimostratori a liquido/ibrido. Queste aree

saranno posizionate, rispettando le distanze di sicurezza, in prossimità delle aree di

storage in modo da mantenere basse perdite di carico e ridurre i costi ed i pericoli

derivanti da lunghe linee fluidiche.

La test cell di HYPROB-PLUS sarà alimentata da LO2, LN2O e CH4 in fase liquida e

gassosa. Le portate garantiranno il test di motori a liquido di classe di spinta sino a

100 kN. Saranno previste le linee di acqua in pressione per il raffreddamento del test

article e le linee di N2 (raffreddamento, purging etc…). Vi saranno quindi: un run tank

ad alta pressione di ossigeno liquido che potrà essere riempito con protossido d’azoto

liquido (LN2O) per i test su motori ibridi; un run tank ad alta pressione per il metano

(liquido e gassoso) ed un run tank di acqua pressurizzata per il raffreddamento del

motore, oltre al sistema di azoto gassoso proveniente da sfere ad alta pressione.

Sarà inoltre presente un sistema di stoccaggio e distribuzione di azoto liquido per la

liquefazione del metano gassoso ed il chill-down delle linee. Per le prove con metano

gassoso, sarà previsto un approvvigionamento da pacco bombole. Un deflettore

mobile, o altro sistema atto a deviare la plume ed attenuare gli effetti dell’Impatto

acustico, sarà opportunamente dimensionato e posizionato nella open area a ridosso

della zona di sparo di HYPROB-PLUS. Il DAS per l’acquisizione dei segnali

provenienti dai test article provati in HYPROB-PLUS sarà opportunamente

posizionato in prossimità della zona di test.

La test cell di HYPROB-IMP ospiterà il banco di prova sul quale saranno posizionati

i dimostratori di motori a propellenti liquidi/ibridi sino a 6 kN di spinta ed i dimostratori

MTP-like. I run tank saranno in comune con l’impianto HYPROB-PLUS. Da questi si

dipartiranno gli stacchi, opportunamente dimensionati sui flussi di massa dei

propellenti richiesti dai dimostratori previsti e descritti nel documento dei requisiti. La

soluzione adottata per lo stoccaggio dell’ossigeno gassoso, così come per il metano

gassoso, sarà volta ad ottimizzare il processo e garantirà le quantità e le portate

necessarie a soddisfare i requisiti degli impianti circa il test dei dimostratori. Entrambe

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le test cell saranno servite da linee di metano ed ossigeno gassosi opportunamente

dimensionate per l’alimentazione dei rispettivi igniter e da un sistema di

alimentazione elettrica. Per il raffreddamento del motore e la polmonazione delle

linee, si farà ricorso ai sistemi in comune con HYPROB-PLUS. Sarà presente uno

stacco, da HYPROB-PLUS, dal run tank dell’ossigeno per l’N2O liquido.

Entrambe le test cell ospiteranno, ciascuna, almeno due telecamere a circuito chiuso

classificate ATEX, capaci di zoom e movimentazione. Esse saranno direzionate e

posizionate in maniera opportuna per il corretto monitoraggio dell’articolo di prova ed

il segnale sarà portato in sala controllo per esser proiettato e registrato. Le aree di

sparo, chiuse su tre lati e con opportuno tetto, disporranno sul lato in opposizione al

dimostratore, di un ingresso costituito da un portone industriale a libretto che

assicurerà la corretta ventilazione durante i test a fuoco e la protezione dagli agenti

atmosferici. Le celle di prova saranno inoltre provviste di un opportuno sistema di

smaltimento delle acque del sistema di raffreddamento. Entrambe le celle di prova

ospiteranno un banco di prova progettato ed adeguato all’alloggiamento dei motori

previsti ed ai loro tiri a fuoco. I banchi di prova saranno muniti di adeguate celle di

carico per la corretta misura dinamica della spinta prodotta;

� Pipe Rack: A partire dal pipe rack CIRA, sarà costruito un pipe rack per il passaggio

dei fluidi di alimentazione e per i cavi di alimentazione elettrica. Il pipe rack si

estenderà dal termine del pipe rack CIRA sino ad arrivare in prossimità delle due test

fire area;

� Recinzione: La zona comprendente l’area operativa e le celle di prova sarà

opportunamente recintata in modo da garantire l’assenza di personale durante

l’esecuzione dei test a fuoco. I serbatoi, ove necessario, saranno recintati;

� Altre opere: Si eseguiranno opere di urbanizzazione primaria del lotto di intervento.

L’area di intervento sarà opportunamente pavimentata ed asfaltata. In parte sarà

sistemata a verde. Si predisporrà un’area da adibire a parcheggio. Si prevede la

realizzazione di un accesso carrabile con apertura automatica ed uno ad apertura

manuale. Sarà prevista un’ampia zona sgombra a ridosso dell’apertura delle celle di

prova per garantire lo smaltimento della plume e degli scarichi. Per il sistema elettrico

si realizzerà, in prossimità del fabbricato principale una cabina elettrica per l’arrivo

della corrente in bassa tensione, da questa cabina partiranno tre diramazioni che

alimenteranno, ciascuna, il fabbricato principale, la test cell di HYPROB-PLUS e

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l’unione della test cell di HYPROB-IMP e del fabbricato per la diagnostica.

Si riporta, in Figura 1, l’ipotesi di posizionamento delle aree di intervento descritte, in Area

19, e la posizione di I2PS rispetto alla cabina elettrica n.4 e al pipe rack esistente. Il

dettaglio del solo impianto integrato è mostrato in Figura 2.

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Figura 1 - Ipotesi di posizionamento delle aree di intervento in Area 19

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Figura 2 - Dettaglio delle zone di intervento in Area 19 – Posizionamento cabina elettrica e pipe rack

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