Caratterizzazione balistica di combustibili a base paraffinica per la propulsione spaziale ibrida

This thesis deals with the hybrid rocket propulsion research field. This technology has many interesting features: it is safe, simple and affordable. Nevertheless its widespread availability is prevented by the low fuel regression rate that limits the maximum achievable thrust. Many solutions have been suggested in order to solve this problem. One of them concerns the use of a class of liquefying fuels with a droplet entrainment effect. The purpose of this thesis is to experimentally study the ballistic properties of a few paraffin based fuels reinforced with thermoplastic polymers (SEBS-MA and POE-MA). Paraffin wax exhibits better performance than classic hybrid formulations based on HTPB. However its poor mechanical properties hinder any actual application. The addition of thermoplastic polymers improves fuel's mechanical strength but goes to the detriment of performance. During the experimental campaign an increasing amount of polymer was added to the fuel, in order to evaluate its impact on ballistic properties. Fuel grain's regression rate was measured through the mass and diameter variations giving a global evaluation. An optical fiber technique was used, as well, which provided instead a local and time-depending regression rate measure.

Il presente lavoro di tesi si inserisce nell'ambito della ricerca sulla propulsione spaziale di tipo ibrido. Sebbene questa tecnologia presenti numerose caratteristiche interessanti, quali sicurezza, semplicità ed economicità, la sua diffusione è stata finora ostacolata dalla bassa velocità di regressione del combustibile che limita la spinta massima raggiungibile. Per risolvere questa criticità sono state proposte numerose soluzioni, fra cui l'utilizzo di formulazioni basso-fondenti caratterizzate dall'effetto di entrainment. Lo scopo di questa tesi è di studiare tramite prove sperimentali le proprietà balistiche di alcuni combustibili a base paraffinica rinforzati con polimeri termoplastici (SEBS-MA e POE-MA). La paraffina pura ha infatti dimostrato prestazioni nettamente superiori rispetto alle formulazioni classiche a base di HTPB, tuttavia le sue scarse proprietà meccaniche non ne consentono un utilizzo pratico. L'arricchimento con polimeri termoplastici permette di aumentare la resistenza meccanica del combustibile a discapito però delle prestazioni. Durante la campagna sperimentale è stata aggiunta al combustibile una quantità crescente di polimero, in modo da valutarne l'effetto sulle proprietà balistiche. La velocità di regressione del grano di combustibile è stata misurata tramite la variazione della massa e dei diametri per una valutazione globale e con una tecnica a fibre ottiche in grado di fornire una misura locale e in funzione del tempo.