Caratterizzazione reologica e meccanica di combustibili basso-fondenti a base paraffinica per la propulsione spaziale di tipo ibrido

This thesis concerns about the hybrid rocket for space propulsion with solid fuel and liquid oxidizer. This technology attracts the attention of the scientific community because of some of its advantages: security, operational flexibility and cost reduction. A minor technological maturity achieved with hybrid propulsion requires intensive research in this area to lead to the firmly estabilished solid and liquid technologies. These investigations are aimed primarily at improving the regression rate that represents its greatest limit in some use (launch systems). In this area are addressed the current scientific research involving to use of low-melting materials which allow significant increases in the rate of regression. These materials lead to a different burning mechanism from traditional fuels based on diffusive flame, known as entrainment, it essentially depends on two physical parameters: viscosity and surface tension. Paraffins and paraffin based fuel with polymeric reinforcement are included to this class of materials, which are used to improve the mechanical characteristics. This thesis points out the attentions on these materials. The objective of the work is to identify and understand the trends of viscosity and surface tension with the temperature changes and, in the case of mixtures, with the variation of the polymer and its concentration. In addition the mechanical properties of the paraffins have been studied because it is important that the fuel present good properties of resistance to stress and vibrational loads resulting from the process of combustion. Tests have been conducted in order to evaluate and determine surface tension and viscosity and how they vary with temperature and with the amount of the polymer contained in the mixtures. Lastly, mechanical tests were conducted to evaluate the mechanical strength of some paraffins in order to identify which is the best performing substance in supporting loads.

Questo lavoro di tesi si inquadra nel settore disciplinare della propulsione spaziale di tipo ibrida con combustibile solido ed ossidante liquido. Tale tecnologia attira le attenzioni della comunità scientifica per via di alcuni indiscussi vantaggi: sicurezza, flessibilità operativa e riduzione dei costi. La minore maturità tecnologica raggiunta con la propulsione ibrida richiede un intensiva ricerca in questo ambito per condurla alla pari della tecnologia a solido e a liquido. Tali ricerche sono volte soprattutto al miglioramento della velocità di regressione che, per alcune applicazioni (quali i sistemi di lancio), rappresenta il suo maggiore limite. In questo ambito sono rivolte le ricerche scientifiche attuali che prevedono di utilizzare materiali bassofondenti i quali permettono incrementi notevoli della velocità di regressione. Questi materiali conducono ad un meccanismo di combustione differente da quello che caratterizza i combustibili tradizionali basato su una fiamma di diffusione, e coinvolge la fenomenologia dell'entrainment, che dipende essenzialmente da due parametri fisici: viscosità e tensione superficiale. Tra tali materiali rientrano le paraffine e i combustibili paraffinici con rinforzo polimerico, i quali sono utilizzati per migliorare le caratteristiche meccaniche. Questa tesi si è occupata dello studio di tali materiali. L'obiettivo del lavoro è quello di individuare e comprendere gli andamenti di viscosità e tensione superficiale al variare della temperatura e, nel caso di miscele, al variare del polimero e della sua concentrazione. Inoltre sono state studiate le proprietà meccaniche delle paraffine in quanto è importante che i combustibili presentino delle buone proprietà di resistenza a carichi e sollecitazioni vibrazionali conseguenti al processo di combustione. Sono state condotte prove di tensione superficiale e di viscosità, al fine di valutare e determinare tali grandezze e come queste varino con la temperatura e con la quantità del polimero contenuto nelle miscele. Per ultimo sono state condotte prove meccaniche per valutare la resistenza meccanica di alcune paraffine in modo da individuare quella che meglio si presta a resistere ai carichi.