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La crescente attenzione verso i sistemi di lancio riutilizzabili ha incentivato lo sviluppo di componenti turbomacchine a lunga durata per la propulsione criogenica. In questo contesto si inserisce il progetto europeo BART (Journal Bearing Assessment for Re-usable Turbopumps), coordinato dall'Università di Pisa con il supporto dell'Agenzia Spaziale Europea. Obiettivo del progetto è valutare la fattibilità di cuscinetti idrodinamici lubrificati con metano liquido per l'impiego in turbopompe riutilizzabili per applicazioni spaziali.

La tesi si concentra sull'infrastruttura software e hardware di controllo e acquisizione dati del banco prova criogenico sviluppato per testare questi cuscinetti. In particolare, è stato implementato un sistema basato su CompactRIO e programmato in LabVIEW, capace di acquisire segnali a frequenze comprese tra 5 Hz e 10 kHz e di controllare valvole ed attuatori piezoelettrici in tempo reale.

Il banco di prova è suddiviso in due sottosistemi principali: il Fluid Management System (FMS), che gestisce l'approvvigionamento e la regolazione dei fluidi criogenici, e il banvo di prova, che ospita l'albero rotante, i cuscinetti e i sensori specifici per il progetto. La camera del cuscinetto è inserita in un ambiente inerte pressurizzato per garantire sicurezza e isolamento termico.

Un'attenzione particolare è stata dedicata all'attività di troubleshooting, necessaria per la messa in servizio dell'impianto. Tra i problemi risolti si segnalano la sostituzione di elettrovalvole difettose, l'eliminazione di disturbi nei sensori di spostamento dovuti a incorretta gestione elettrica, la riprogettazione delle tenute criogeniche in PTFE con versioni più resistenti in PTFE con riempimento in carbonio, e la realizzazione di uno strumento di smontaggio cuscinetti personalizzato.

Successivamente sono stati svolti test a temperatura ambiente con albero in rotazione, sia in configurazione statica che con attuazione dei piezoelettrici. Tali test avevano lo scopo di validare il funzionamento dei sensori, del programma LabVIEW, e delle celle di carico. Le prove sono state svolte a varie velocità e configurazioni, con risultati coerenti alle aspettative.

Un'altra sezione separata è stata dedicata al leak test, eseguito pressurizzando la camera del cuscinetto con azoto e monitorando la pressione per valutare il decadimento. Il decadimento osservato ha identificato delle perdite attraverso i sensori di posizione che risultano essere difficili da gestire e sono quindi state valutate delle alternative.

Il software sviluppato in LabVIEW è strutturato in tre livelli: FPGA, Real Time, Host PC. La tesi ha avuto l'obiettivo di migliorare il programma gia esistente e di migliorare il controllo, la gestione dei dati e l'interfaccia utente. Nel caso dell'FPGA è stata migliorata l'efficienza del programma riducendo sensisbilmente il tempo di compilazione. Per la comunicazione tra FPGA e Real Time è stata magliorata la trasmissione tra i blocchi e implementato un codice in grado di inserire il "time stamp" dei dati acquisiti, per garantire una migliore manipolazione dei dati e per facilitare futuri troubleshooting. L'architettura modulare consente prossime estensioni del sistema e l'adattabilità a differenti campagne di prova.

Nel complesso, il lavoro ha portato alla realizzazione e parziale validazione di un banco prova criogenico completamente strumentato, pronto per l'impiego in test con fluidi reali. Le soluzioni implementate costituiscono una base solida per lo studio sperimentale di cuscinetti idrodinamici destinati a turbopompe riutilizzabili per applicazioni spaziali, contribuendo agli obiettivi generali del progetto BART e alle prospettive di sostenibilità e allungamento di vita utile nell'accesso allo spazio.



The growing focus on reusable launch systems has encouraged the development of long-life turbomachinery components for cryogenic propulsion. In this context, the European BART project (Journal Bearing Assessment for Re-usable Turbopumps), coordinated by the University of Pisa with support from the European Space Agency, aims to assess the feasibility of liquid methane-lubricated hydrodynamic journal bearings for use in reusable turbopumps for space applications.

This thesis focuses on the software and hardware infrastructure for control and data acquisition of the cryogenic test bench developed to test these bearings. In particular, a system based on CompactRIO and programmed in LabVIEW was implemented, capable of acquiring signals at frequencies between 5 Hz and 10 kHz and controlling valves and piezoelectric actuators in real time.

The test bench is divided into two main subsystems: the Fluid Management System (FMS), which handles the supply and regulation of cryogenic fluids, and the mechanical test bench, which houses the rotating shaft, bearings, and project-specific sensors. The bearing chamber is placed inside a pressurized inert environment to ensure safety and thermal insulation.

Special attention was given to troubleshooting activities, which were necessary to commission the system. Among the issues resolved were the replacement of faulty solenoid valves, the elimination of disturbances in displacement sensors caused by improper electrical management, the redesign of cryogenic PTFE seals with more resistant versions filled with carbon, and the development of a custom bearing disassembly tool.

Subsequently, room temperature tests were carried out with a rotating shaft, both in static configuration and with piezoelectric actuator excitation. These tests aimed to validate the operation of the sensors, the LabVIEW program, and the load cells. Tests were conducted at various speeds and configurations, with results consistent with expectations.

Another dedicated section covered the leak test, performed by pressurizing the bearing chamber with nitrogen and monitoring the pressure to assess pressure decay. The observed decay identified leaks through the displacement sensors, which turned out to be difficult to manage, and therefore alternatives were evaluated.

The LabVIEW software developed is structured into three layers: FPGA, Real Time, and Host PC. The thesis aimed to improve the existing program by enhancing control, data handling, and user interface. For the FPGA layer, program efficiency was improved by significantly reducing compilation time. For communication between FPGA and Real Time, data transmission between blocks was improved and a code was implemented to insert a data acquisition time stamp, enabling better data handling and facilitating future troubleshooting. The modular architecture supports future system extensions and adaptability to different test campaigns.

Overall, this work led to the development and partial validation of a fully instrumented cryogenic test bench, ready for testing with real fluids. The implemented solutions provide a solid foundation for the experimental study of hydrodynamic journal bearings intended for reusable turbopumps in space applications, contributing to the general objectives of the BART project and to long-term sustainability and life-extension in access to space.