Paraffin-based fuels for hybrid rocket propulsion : physical and ballistic measurements

This thesis focuses on the pre-burning characterization and on the combustion tests of paraffin-based fuels for hybrid rocket propulsion. The tested fuels were characterized in terms of their density and ballistic responses under quasi-steady operating conditions. The density of the formulations were investigated considering the temperature effects on the solid fuel grain. The combustion runs focused on the evaluation of the combustion chamber pressure effects on the fuel regression rate. Four different paraffin waxes were investigated. The tested paraffin waxes differ due to their composition and structure. Both macrocrystalline paraffin waxes (Wax2, Wax4) and microcrystalline paraffin waxes (Micro1, WaxSynth) were considered. The aim of the density measurement was to characterize the volume variation of paraffin waxes across their melting points. This information could be useful in large scale manufacture processes of solid fuel grain because of the high volume variation of paraffin waxes across their solidification point. A dilatometer was used to evaluate the density of the selected paraffin waxes at different temperatures. The experimental results show a different behaviour between micro- and macro- crystalline paraffin waxes. In fact, a sensible difference in density percent variation was detected: macrocrystalline paraffin waxes showed a higher density loss with respect to microcrystalline ones over the investigated temperature range. Ballistic investigations were carried out in a lab-scale 2D-radial microburner by a time-resolved non intrusive optical technique for regression rate measurement. Combustion tests were performed on cylindrical fuel samples with a single central port perforation. The combustion runs were performed in gaseous oxygen, for combustion chamber pressure (p_c) in the range 10 to 19 bar, with the initial oxidizer mass flux (G_Ox) of nearly 390 kg/m²s. For each tested fuel, the regression rate achieved at 10, 16 and 19 bar was compared to the ones obtained at the other two investigated pressure values and to the regression rate achieved by HTPB (Hydroxyl-terminated polybutadiene) fuel burnt in similar conditions at 19 bar, which was chosen as baseline. The purpose of the ballistic investigation was an evaluation of the entrainment effects on the resulting solid fuel r_f. The investigated macrocrystalline paraffin-based fuels fit the expected trend offering the highest average regression rate enhancement with respect to the HTPB baseline at combustion chamber pressure of 10 (+177%) and 16 bar (+204%), whereas at 19 bar the highest regression rate enhancement was detected for a microcrystalline paraffin-based fuel (+196%). Under the investigated conditions the paraffin-based fuel showed a faint r_f enhancement for increasing combustion chamber pressure.

Questa tesi si concentra sulla caratterizzazione delle proprietà fisiche e balistiche di propellenti solidi a base di paraffina per la propulsione ibrida. I propellenti investigati sono stati caratterizzati sia in termini di densità che di risposta balistica in condizioni operative quasi-stazionarie. La densità delle formulazioni è stata investigata considerando gli effetti della temperatura sul grano solido. I test di combustione si sono concentrati sulla valutazione dell'effetto della pressione della camera di combustione sulla velocità di regressione del combustibile. Diversi tipi di paraffina sono stati considerati per questo studio. Le paraffine testate differiscono sia per la loro composizione che per la loro struttura; nelle prove sperimentali sono state impiegate sia paraffine macrocristalline (Wax2, Wax4) che paraffine microcristalline (Micro1, WaxSynth). Lo scopo delle misure di densità era quello di valutare la variazione di volume delle paraffine durante il passaggio dallo stato solido a quello liquido. Questa informazione è utile nei processi di produzione di grani solidi di grosse dimensioni, perché la paraffina subisce degli importanti cambi di volume quando cambia di stato di aggregazione. Per valutare la densità delle paraffine selezionate alle diverse temperature di misura è stato utilizzato un dilatometro. Le rilevazioni sperimentali hanno mostrato un comportamento diverso tra le paraffine micro- e macro- cristalline. Una sensibile differenza nella variazione percentuale di densità è stata rilevata nell'intervallo investigato, dove le paraffine macrocristalline hanno mostrato una maggiore diminuzione della densità rispetto alle paraffine microcristalline. I test balistici sono stati eseguiti per mezzo di un microbruciatore radiale 2D, mentre per misurare la velocità di regressione è stata utilizzata una tecnica ottica non intrusiva del tipo time-resolved. Le prove di combustione sono state eseguite utilizzando ossigeno gassoso come ossidante nell'intervallo di pressione della camera di combustione (p_c) compreso tra 10 e 19 bar. Il flusso specifico iniziale dell'ossidante (G_Ox) era di circa 390 kg/m²s. Per ogni propellente investigato, la velocità di regressione raggiunta a 10, 16 e 19 bar è stata confrontata con quella ottenuta alle altre due pressioni investigate e con il valore di velocità di regressione scelto come riferimento, cioè quello ottenuto dal polibutadiene a terminazione idrossilica (HTPB) ad una pressione della camera di combustione di 19 bar. Lo scopo della caratterizzazione balistica era quello di valutare gli effetti del fenomeno di entrainment sulla velocità di regressione del grano solido r_f. Le paraffine macrocristalline hanno ottenuto i maggiori incrementi medi della velocità di regressione rispetto al valore di riferimento dell'HTPB alle pressioni della camera di combustione di 10 (+177%) e di 16 bar (+204%), mentre alla pressione di 19 bar il maggior incremento sulla velocità di regressione è stato registrato per una paraffina microcristallina (+196%). Nelle condizioni indagate, la p_c ha mostarto una debole influenza sulla r_f dei combustibili.