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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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APPROVER
AUTHORIZATION REVIEWERS:
AUTHORIZER
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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DEPT NAME * DEPT NAME *
* 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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