ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
20-dic-2022
2021/2022
I motori a razzo ibridi (HRE) sono una particolare configurazione di sistema di
propulsione caratterizzata da ossidante e combustibile in diversi stati di materia.
Presentano molti vantaggi rispetto ai noti motori a solido e a liquido, come l’elevato
impulso specifico, il costo e la sicurezza, la flessibilità operativa e l’impatto ambientale.
D’altra parte, questa tecnologia presenta anche molti svantaggi importanti,
come la scarsa efficienza di combustione, i bassi valori del tasso di regressione e lo
spostamento del rapporto ossidante-combustibile (O/F shift), motivo della scarsa
popolarità del sistema rispetto alle altre due implementazioni. Il motore pancake a
flusso vorticoso (VFP) è una configurazione sviluppata negli ultimi anni in grado
di superare questi inconvenienti. Questo motore innovativo presenta una camera
dalla geometria particolare, caratterizzata da un rapporto lunghezza/diametro
(L/D) < 1, ed è capace di raggiungere elevati valori di efficienza di combustione
e di velocità di regressione grazie alla produzione di un flusso vorticoso all’interno
della camera di combustione. Il Laboratorio di Propulsione Spaziale (SPLab) del
Politecnico di Milano ha costruito un proprio VFP (SVFP) e negli ultimi anni
sono state condotte diverse campagne di test per caratterizzare completamente il
motore e studiare diverse formulazioni di carburante.
Questa tesi si concentra sugli effetti delle cricche e dei difetti dei grani di combustibile
sul comportamento di combustione dell’SVFP. Il tasso di regressione del
combustibile solido, la velocità caratteristica e l’efficienza di combustione sono le
principali osservabili di interesse. Nella prima parte viene analizzato il comportamento
di combustione dei grani di acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) stampati
in 3D, una formulazione di combustibile termoplastico non liquefacente e caratterizzata
dall’assenza di entrainment. Successivamente è messa a confronto con
formulazioni a base di paraffina. La seconda parte del lavoro analizza quindi gli
effetti dei danni e delle cricche con sezione a V prodotte appositamente sui grani.
In primo luogo, vengono prodotti grani di ABS stampati in 3D con danni in punti
specifici, quindi l’analisi si sposta sulle formulazioni a base di paraffina. L’indagine
mira a chiarire se i danni/crepe sono critici per il funzionamento del motore o se
la natura del carburante liquefacente/termoplastico può contrapporsi ad eventuali
problemi legati all’integrità dei grani.
La tesi mostra che i risultati hanno dimostrato risposte leggermente diverse
a seconda delle formulazioni del carburante. In generale, non sono stati osservati
effetti critici. L’ABS ha mostrato una regressione normale alla superficie del grano,
mentre per le formulazioni a base di paraffina l’area del difetto è aumentata nel
tempo con una forte dipendenza dalla profondità e un’influenza minore dall’angolo
del difetto.
Sono state eseguite tecniche di ricostruzione non distruttive (tomografia) per
rafforzare i risultati sperimentali e ottenere le proprietà locali dei grani. A tal fine
è stato sviluppato un algoritmo di ricostruzione numerica, che ha dimostrato un livello
di accuratezza superiore al 99L’analisi ha fornito utili indicazioni sull’evoluzione
dei difetti, mostrando un significativo aumento del tasso di regressione locale intorno
all’area della cricca.
Hybrid rocket engines (HRE) are a peculiar propulsion system configuration characterised
by oxidiser and fuel in different state of matters. They present many
advantages respect to the well-known solid and liquid motors, such as high specific
impulse, cost and safety, operational flexibility and environmental impact.
On the other hand, this technology presents also many major drawbacks such
as poor combustion efficiency, low regression rate values and oxidiser-to-fuel ratio
shift, which is the reason of the unpopularity of the system compared to the
other two implementations. The vortex flow pancake engine is a configuration
developed in the last years capable of overcome these drawbacks. This innovative
motor presents a peculiar geometry chamber characterised by a length-to-diameter
(L/D) ratio < 1, and it achieves high combustion efficiencies and regression rate
values thanks to the production of a vortex flow inside the combustion chamber.
The Space Propulsion Laboratory (SPLab) of Politencico di Milano built its own
VFP (SVFP) and multiple test campaign were ran in the last years in order to
completely characterise the engine and to study different fuel formulations.
This work focuses on the effects of fuel grain cracks and defects on the combustion
behaviour of the SVFP. Solid fuel regression rate, characteristic velocity
and combustion efficiency and are the main observables of interest. In the first
part, the burning behaviour of 3D printed acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS)
grains is analysed, a not-liquefying thermoplastic fuel formulation characterised by
no entrainment, which is thus compared with paraffin-based formulations. Hence,
the second part of the work investigates the effects of purposely produced grain
damages and cracks with a V-shape section. First, 3D-printed ABS grains with
damages in specific locations are produced, then the analysis moves to paraffinbased
formulations. The investigation aims at clarifying if the damages/cracks are
critical for engine operations, or if the nature of the liquefying/thermoplastic fuel
can hinder possible issues related to grain integrity.
The dissertation shows that results demonstrated slightly different kind of responses
depending on the fuel formulations. Generally, no critical effects were
observed. ABS showed a regression normal to the surface of the grain, while for
paraffin-based formulations the defect area increased in time with a strong dependency
from depth and a minor influence from the defect’s angle.
Non destructive reconstruction’s techniques (tomography) were performed to
reinforce experimental results and obtain local properties of the grains. This
was accomplished developing a numerical reconstruction algorithm, which demonstrated
level of accuracy higher than 99%. The analysis provided useful insights of
the defects’ evolution, showing a signification local regression rate increase around
crack’s area.