• boil-off
• propellenti liquidi criogenici
• razzi a propellenti liquidi

I razzi a propellenti liquidi criogenici rappresentano una valida alternativa per le future missioni spaziali interplanetarie, con e senza equipaggio umano, dal momento che, rispetto alle altre tipologie di razzi chimici, forniscono i più alti valori di impulso specifico mentre, rispetto ai razzi elettrici, forniscono valori di spinta molto più alti. Tuttavia, questa tipologia di missioni spaziali è caratterizzata dal fatto che i propellenti che alimentano il sistema propulsivo devono rimanere stoccati nei serbatoi per lunghi periodi di tempo prima di poter essere utilizzati e ciò costituisce un limite all’utilizzo dei propellenti criogenici, poiché gli attuali serbatoi e le attuali tecniche di stoccaggio permettono di stoccare tali propellenti per periodi di tempo non superiori ad un paio di settimane. Infatti, l’inevitabile assorbimento di calore dall’ambiente esterno e la bassa temperatura di ebollizione di questi propellenti provoca la loro continua evaporazione con conseguente perdita di massa di propellente; tale fenomeno è noto come boil-off.
Da anni le varie Agenzie spaziali e le Aziende private stanno lavorando al fine di sviluppare opportune tecnologie che permettano di poter stoccare un propellente criogenico, o in generale un liquido criogenico, per lungo periodo di tempo azzerando la sua velocità di evaporazione; tali sistemi sono noti come sistemi zero boil-off, e si basano sulla simultanea applicazione di sistemi di controllo termici passivi ed attivi.
In questo contesto si inserisce il progetto Zero Boil-off Propulsion System Feasibility Demonstration; si tratta di un progetto sviluppato dall’ESA e affidato all’Azienda italiana ALTA, in qualità di Prime- Contractor, e all’Azienda francese Absolute System, in qualità di Sub-Contractor. Il progetto prevede la realizzazione in scala di un serbatoio per lo stoccaggio di propellenti criogenici e dei relativi sistemi di controllo termici attivi e passivi, che consentano lo stoccaggio del propellente senza che ci sia perdita di massa dovuta al boil-off e la sua validazione in un ambiente avente le tipiche caratteristiche dell’ambiente spaziale; pertanto il test deve essere eseguito in una delle camere a vuoto installate presso i laboratori di ALTA.
Il presente lavoro di tesi, svolto presso ALTA, ha riguardato l’analisi termica del dimostratore in camera a vuoto. L’analisi termica è stata eseguita principalmente considerando la reale geometria e struttura del serbatoio scelta per il test, ovvero un serbatoio cilindrico a doppia parete (ovvero con la struttura interna di un vaso Dewar) e a fondi torosferici; il modello termico ricavato dall’analisi consente di prevedere il comportamento del dimostratore in camera a vuoto durante il test ed inoltre consente di verificare in maniera molto veloce come variano nel tempo le proprietà termodinamiche del propellente criogenico al variare dei vari parametri fisici e geometrici del sistema quali: l’emissività delle superfici, la conducibilità termica dei vari materiali, le dimensioni geometriche del serbatoio, le dimensioni geometriche della struttura di collegamento serbatoio-camera a vuoto e così via. Il modello termico ha permesso di realizzare un simulatore in ambiente Matlab che implementa il modello stesso; il simulatore sviluppato è stato denominato VCDT (Vacuum Chamber Dewar Tank).
Hanno fatto parte del presente lavoro di tesi anche le seguenti attività:
- una preliminare ricerca bibliografica circa lo stato dell’arte dei sistemi zero boil-off, sia in campo spaziale che in altri campi della tecnica;
- l’analisi termica di configurazioni geometriche alternative: è stata eseguita l’analisi termica per un serbatoio cilindrico a due strati (ovvero un serbatoio costituito solo dalla parete più un isolante termico su di essa applicato) e per un serbatoio sferico a due strati.

The cryogenic liquid propellant rockets represent a valid alternative for the future interplanetary space missions, with and without a human crew, because compared to the other types of chemical rockets, they provide the highest values of the specific impulse, while compared to the electric rockets, they provide thrust values much higher. However, this type of space missions is characterized by the fact that the propellants which feed the propulsion system must remain stored in the tanks for long periods of time before they can be used, and this constitutes a limit to the use of the cryogenic propellants, because the current tanks and the current storage techniques allow to store these propellants for periods of time not more than a couple of weeks. Indeed, the inevitable absorption of heat from the external environment and the low boiling temperature of these propellants causes their continuous evaporation with consequent loss of mass of propellant; this phenomenon is known as boil-off.
For years the various Space Agencies and private Companies are working to develop appropriate technologies that allow to store a cryogenic propellant, or in general a cryogenic liquid, for a long period of time by resetting its evaporation rate; such systems are known as zero boil-off systems, and they are based on the simultaneous application of passive and active thermal control systems.
This is the context in which it is inserted the project Zero Boil-off Propulsion System Feasibility Demonstration, a project developed by ESA and committed to the Italian Company ALTA, as Prime-Contractor, and to the French Company Absolute System, as Sub-Contractor. The project has as objective the construction of a scaled tank for the storage of cryogenic propellants, with the related active and passive thermal control systems, capable to store the propellant without loss of propellant mass due to the boil-off and its validation in an environment having the typical characteristics of the space environment, so the test must be performed in one of the vacuum chambers installed in the laboratories of ALTA.
The present work, carried out at ALTA, concerned the thermal analysis of the demonstrator in the vacuum chamber. The thermal analysis was performed mainly considering the real geometry and real structure of the tank chosen for the test, that is a cylindrical tank with double wall (i.e. with the internal structure of a Dewar vessel) and with spherical bottoms; the thermal model derived from the analysis allows to predict the behavior of the demonstrator in the vacuum chamber during the test and also it allows to check, in very fast time, as the thermodynamic properties of cryogenic propellant change in time to the variation of the various physical and geometrical parameters of the system such as the emissivity of the surfaces , the thermal conductivity of the various materials, the geometric dimensions of the tank, the geometric dimensions of the structure that connects the tank to the vacuum chamber and so on. The thermal model has allowed to build a simulator in Matlab that it implements the model; the simulator developed is called VCDT (Vacuum Chamber Dewar Tank).
The following activities have been part of this thesis:
- a preliminary literature search about the state of the art of the zero boil-off systems , both in the space field and in the other fields of technology;
- the thermal analysis of some alternative geometric configurations: the thermal analysis was performed for a cylindrical tank with two layers (i.e. a tank constituted only by the wall plus a thermal insulation applied on it) and for a spherical tank with two layers.