Dimensionamento termo-fluidodinamico 1D della girante LOX per il motore Vulcain 2.1

Il presente elaborato esplora i principi di funzionamento, i vincoli di progettazione e le architetture delle turbomacchine in ambito spaziale che devono gestire potenze estreme (alcuni MW) elaborando fluidi criogenici a ridosso dei loro limiti termodinamici. Il nucleo della trattazione è dedicato allo sviluppo di un modello computazionale per il dimensionamento della girante centrifuga per l’ossigeno liquido (LOX) del motore Vulcain 2.1 del lanciatore Arianne. Tramite un algoritmo di ottimizzazione iterativa, è stato esplorato il dominio del rapporto dei diametri per individuare il punto di progetto in grado di soddisfare i requisiti di portata e prevalenza della camera di spinta. L’analisi ha evidenziato in modo analitico le peculiari divergenze tra le pompe spaziali e le macchine idrauliche tradizionali: l’adozione di rapporti di diffusione acceleranti per compensare gli ingombri meccanici e, soprattutto, l’insorgere di un intrinseco deficit termodinamico all’aspirazione. Il codice ha infatti dimostrato matematicamente l’incapacità di una singola girante centrifuga di operare senza incorrere in cavitazione distruttiva, giustificando la necessità tassativa di un induttore assiale. Infine, le logiche progettuali emerse dal ciclo a gasogeno del lanciatore europeo vengono poste a confronto con le architetture propulsive di nuova generazione, analizzando le sfide fluidodinamiche e strutturali imposte dal ciclo a combustione stadiata a flusso completo (Full-Flow Staged Combustion) del motore Raptor 3 di SpaceX. Tale comparazione permette di delineare le attuali traiettorie evolutive nel design delle turbomacchine spaziali in ottica di riutilizzabilità e massimizzazione dell’efficienza.