DESCRIZIONE GENERALE
Il compito principale del Laboratorio di Sperimentazione e Applicazioni è fornire competenze per la progettazione di sistemi propulsivi aeronautici e spaziali, nonché per l’analisi di flussi iperentalpici e chimicamente reagenti. Il Laboratorio è altresì fortemente coinvolto nella progettazione esecutiva e nella realizzazione dell’impianto HYPROB, dedicato a prove di motori a razzo a liquido (di tipo LOx/CH4) e di camere di combustione di propulsori aeronautici. Il Laboratorio detiene inoltre competenze riconosciute nella progettazione aerodinamica e aerotermodinamica di sistemi di trasporto spaziale, espressa nelle capacità di simulazione e analisi di fenomenologie caratteristiche in condizioni di volo e di galleria, e nello sviluppo di metodologie di estrapolazione dal volo (dei requisiti di test) ed al volo (delle misure sperimentali) finalizzate alla progettazione ed al corretto sfruttamento dei test in galleria.
TEMATICHE PRINCIPALI
Propulsione
Il Laboratorio sta creando competenze che permettano di progettare sistemi propulsivi ottimizzati ed efficienti, nonché sta sviluppando metodologie e concetti innovativi per la definizione di sistemi propulsivi di nuova generazione. Lo scopo è quello di fornire un contributo metodologico e sperimentale alla progettazione ed analisi dei sistemi di propulsione aerospaziale (sia per trasporto spaziale che per l’aeronautica), sia convenzionali che di futura generazione. Il Laboratorio coordinerà, definirà ed eseguirà le attività di sperimentazione nel campo della propulsione aerospaziale, servendosi delle capacità di sperimentazione dei banchi prova (HYPROB) e delle proprie competenze teorico-numeriche. Il Laboratorio è correntemente impegnato nella progettazione ed analisi della fluidodinamica interna di camere di combustione ad alta pressione ed ugelli di spinta nonché di componenti di propulsori aeronautici di nuova generazione di tipo ram-jet e scram-jet. Inoltre, altri filoni di interesse del Laboratorio l’interazione elettrofluidodinamica che trova applicazioni anche nel miglioramento delle prestazioni dei propulsori e la definizione di strategie di riduzione delle emissioni di NOx per propulsori aeronautici e spaziali.
Aerotermodinamica
Ormai da venti anni il Laboratorio detiene competenze nel campo dell’aerotermodinamica, in particolare fornisce contributi alla progettazione di sistemi di trasporto spaziale (capsule, veicoli di rientro, lanciatori) tramite: la produzione di data base aerodinamici e aerotermodinamici, ottenuti integrando misure sperimentali e simulazioni CFD; l’analisi di fenomenologie critiche localizzate che possono produrre carichi termici e meccanici lesivi per il controllo e l’integrità strutturale dei veicoli; la progettazione di prove in galleria finalizzate alla qualifica e/o verifica di veicoli in scala o parti di essi in dimensione reale, assicurando la corretta corrispondenza tra condizioni di volo reali e condizioni simulate (metodologia di estrapolazione dal volo e al volo). Negli ultimi anni, sia in ambito nazionale che in ambito internazionale, il Laboratorio ha acquisito competenze nella progettazione, sviluppo e qualifica in ambiente rilevante di esperimenti (“payload”) di volo, sia per capsule balistiche (programma EXPERT) che per veicoli di rientro alati (programma USV).
CAPACITÀ & COMPETENZE PRIMARIE
• Attività di sperimentazione nel campo della propulsione aerospaziale utilizzando banchi prova (HYPROB) e competenze teorico-numeriche
• Sviluppo di metodologie di estrapolazione dal volo (requisiti di test) ed al volo (delle misure sperimentali)
• Progettazione di test sperimentali in gallerie iperentalpiche e banchi prova di propulsori assicurando la corretta corrispondenza tra reali condizioni di volo e condizioni simulate
• Ricostruzione numerica di test sperimentali al fine di assicurare la corretta analisi e interpretazione dei risultati
• Progettazione e analisi aerotermodinamica di camere di combustione ad alta pressione, ugelli di spinta e di sistemi propulsivi per il trasporto spaziale
• Progettazione e analisi di componenti di propulsori aeronautici convenzionali e di nuova generazione (ram-jet, scram-jet)
• Sfruttamento dell’interazione elettrofluidodinamica finalizzata al miglioramento delle prestazioni dei propulsori
• Studi di sistema per lanciatori e veicoli per il trasporto spaziale, inclusa l’integrazione con il sistema propulsivo
• Analisi delle fenomenologie aerotermodinamiche critiche relative a lanciatori e veicoli per il trasporto spaziale
• Progettazione di test aerodinamici e aerotermodinamici in volo su capsule e veicoli di rientro
STRUMENTI
SW Proprietari
• Flussi aria compressibili: H3NS, H2NS
• Flussi combustione compressibili: C3NS
SW Commerciali
• Generazione di griglie di calcolo: ICEM-CFD HEXA
• Analisi di miscele reagenti per la combustione: Kiva
• Analisi di flussi rarefatti: DS3V, DS2V
• Visualizzazione: Tecplot
SERVIZI EROGABILI
• Produzione di data base aerodinamici e aerotermodinamici per lanciatori e veicoli di rientro
• Progetto di test sperimentali in gallerie iperentalpiche e banchi prova di propulsori
• Progetto di esperimenti in volo (“payload”) per capsule e veicoli di rientro
• Simulazioni CFD di sistemi di trasporto spaziale e sistemi propulsivi in condizioni di volo e in condizioni di galleria
• Analisi aerotermodinamica di fenomenologie caratteristiche di sistemi di trasporto spaziale e sistemi propulsivi
• Analisi e definizione di strategie per la riduzione delle emissioni di NOx di propulsori aeronautici e spaziali
ALCUNE APPLICAZIONI
• Sviluppo di data base aerodinamici e aerotermodinamici (VEGA, PRORA-USV, EXPERT, FLPP)
• Progettazione di esperimenti nel Plasma Wind Tunnel “Scirocco” (CLAE, ASA, SHS, EXPERT Payloads)
• Progettazione di esperimenti in volo (PRORA-USV, EXPERT PL7)
• Analisi e implementazione modelli per la combustione di motori a razzo e air-breathing (LAPCAT-1)
• Analisi di sistemi propulsivi di tipo air-breathing per sistemi di trasporto suborbitale (LAPCAT-2)
• Progettazione di un sensore di gas di combustione (CIBAPARK)
PROGETTI IN CORSO
• LAPCAT II: fin. EU 7thFP. Il programma LAPCAT II, di cui ESA/ESTEC è ente coordinatore, rientra nel FP7/Transport (including aeronautics) della Comunità Europea. L'attività ha la durata di 4 anni ed è basata sullo studio di due concetti di trasporto suborbitale ad alta velocità con propulsione a ciclo combinato (M=5 e M=8). Il Laboratorio SPAP coordina il WP6 – Combustion Modelling and Environmental Chemistry, e contribuisce alla modellistica chimico-fisica della combustione ad alta velocità, alle strategie di riduzione degli inquinanti, alla progettazione di dettaglio delle configurazioni a M=5 e M=8, ed alla verifica numerico-sperimentale degli aspetti aerotermodinamici delle configurazioni analizzate.
• EXPERT Payloads: fin. ESA. Nell’ambito del programma Expert il CIRA ha proposto alcuni esperimenti che saranno installati a bordo della capsula e forniranno dati utili per la validazione dei codici di calcolo di aerotermodinamica. Due di questi esperimenti coinvolgono in particolare il laboratorio SPAP: il primo è dedicato alla comprensione del fenomeno di interazione urto-strato limite in corrispondenza dei flap (PL07), mentre il secondo è finalizzato alla qualifica in condizioni di rientro di una winglet in UHTC (PL15). Infine, CIRA è anche responsabile di un test in Scirocco del PL06/08, di responsabilità DLR/RUAG, ovvero della verifica in condizioni rilevanti della strumentazione del flap e della cavity, e per il quale il Laboratorio SPAP fornisce competenza nella progettazione del test.
• CLAE: fin. PRORA. L’obiettivo generale del progetto è di migliorare la capacità del CIRA nella determinazione dei carichi aerotermodinamici su un velivolo di rientro; a tale scopo, da un lato vengono sviluppati o acquisiti strumenti adeguati per la simulazione di campi aerotermodinamici su geometrie complesse, sia in regime continuo che rarefatto (alte quote); dall’altro lato vengono affrontate e approfondite, sia numericamente che sperimentalmente, due tematiche specifiche che hanno un impatto molto rilevante nella progettazione: l’interazione urto-strato limite (SWBLI) e la transizione da regime laminare a turbolento. Il Laboratorio SPAP si occupa delle attività SWBLI in maniera estensiva.
• HYTAM: fin. ARMAERO. La proposta nasce su richiesta di Segredifesa di effettuare uno studio di fattibilità per lo sviluppo di tecnologie applicate a sistemi d'arma ipersonici. Il programma ha carattere principalmente tecnologico, durante il cui svolgimento saranno individuate ed esplorate le tecnologie abilitanti al volo ipersonico, definendo al contempo un piano di sviluppo e di misurazione del relativo livello di adeguatezza applicativa. Il Laboratorio SPAP si occupa degli aspetti di aerotermodinamica ed aerodinamica ipersonica e degli aspetti di propulsione.
• USV – Flight Experiment Aerodynamics: fin. PRORA. Attività di preparazione dell’esperimento di aerodinamica in volo del velivolo FTB-1 (missioni DTFT-1, DTFT-2 e DSFT), implementazione e verifica della strumentazione sul velivolo, e analisi di post-volo per il corretto sfruttamento dei dati. Il progetto si propone in questo modo di migliorare il modello aerodinamico del velivolo, ridurre i margini di incertezza sui parametri aerodinamici, verificare gli strumenti CFD applicati ad una missione realistica, comprendere meglio fenomenologie fluidodinamiche esistenti, ed eventualmente rilevare fenomenologie aerodinamiche non previste.
• USV – SHS: fin. PRORA. Progetto tecnologico del programma PRORA-USV finalizzato alla progettazione, realizzazione e test in condizioni rilevanti di componenti termo-strutturali critici per velivoli di rientro. Il Laboratorio SPAP si occupa della estrapolazione dal volo dei requisiti di test (i primi test sono stati basati sui requisiti estratti da USV_2), della progettazione dei test nella galleria al plasma Scirocco e della ricostruzione numerica aero-termo-strutturale degli stessi. Le applicazioni di SHS hanno finora riguardato un nose con piccolo raggio di curvatura ed una winglet costruiti in UHTC (ZrB2).
• USV-4: fin. PRORA. Studio di fattibilità di una missione congiunta tra CIRA e University of Queensland riguardante il volo ipersonico (M=6÷8) non propulso e controllato di un velivolo USV. Il velivolo è portato alle condizioni di sperimentazione in volo dal lanciatore tipo HIFIRE-4 (programma DSTO/UQ). Il Laboratorio SPAP si occupa della definizione della configurazione e degli aspetti aerotermodinamici ad essa correlati.
• USV – GNC: fin. PRORA. Il progetto prevede sviluppi tecnologici relativi a un sistema di Guida, Navigazione e Controllo (GN&C) avanzato per applicazioni ipersoniche. In quest’ottica è di primario interesse il filone di ricerca dell’Aerotermodinamica e Aerodinamica Ipersonica. Il Laboratorio SPAP sta integrando il database aerodinamico già esistente del velivolo FTB-X con gli effetti delle superfici aerodinamiche deflesse, gli effetti di rarefazione, e la valutazione delle derivative dinamiche.
• HAPD: fin. PRORA. L'obiettivo del programma è quello di realizzare un dimostratore volante in scala, in similitudine sia aerodinamica che inerziale con il laboratorio volante di ricerca LVR-HALE (obiettivo finale del programma UAV), e di effettuare le sperimentazioni in volo necessarie per valutare le aree di sistema e tecnologiche ritenute critiche per LVR-HALE. Il Laboratorio SPAP partecipa agli studi sul path termico in fusoliera atti a definire soluzioni per lo smaltimento del calore generato dall'avionica di bordo (alette di raffreddamento esterne, riposizionamento dei dispositivi all’interno della fusoliera, etc.).
CUSTOMER & PARTNERS
• ESA (European Space Agency)
• ASI (Agenzia Spaziale Italiana)
• TAS-I (Thales Alenia Space – Italy)
• SegreDifesa, ARMAERO
• Università di Roma (Dip. di Ingegneria Meccanica e Aeronautica - DMA)
• University of Southampton
• DLR
• EADS-Astrium
• MBDA Missile Systems
Contatto
Marco Marini
Tel. +39 0823 623607
Fax: +39 0823 623700
email: m.marini@cira.it
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