Design of end-to-end procedure for CCP characterization from solid rocket plume

The addition of aluminum powder to solid propellant is a common practice to improve the performance of solid rocket motors. High enthalpy of reaction allows to increase the flame temperature and, hence, the gravimetric specific impulse. One of the main drawbacks of this technique is the formation of condensed (solid or liquid) combustion products in the rocket exhaust plume. This is detrimental in terms of performance mainly due to the thermal and kinetic inertia of the large condensed particles, leading to a warmer and slower flow with respect to ideal gas-only case. The result is a lower specific impulse. For these reasons it is very important to study the formation of agglomerates in the combustion chamber and the development of condensed residues through the gas dynamic nozzle. Several quench bombs and probes were designed in the past to collect particles either in the vicinity of the burning surface of a solid propellant strand or in the plume of a test motor. The activity described in this thesis is part of EMAP (Experimental Modeling of Alumina Particulate in Solid Booster) project, an ESA-funded program leaded by DLR (Germany) that aims at characterizing the rocket exhaust plume from a sub-scale solid rocket motor. Among the selected measurement methods, an intrusive technique was proposed for the collection of the condensed combustion products in the vicinity of the rocket nozzle. The present work addressed the topic from a global perspective designing both the sampling system and the treatment protocol for preservation and characterization of material. A supersonic probe able to withstand the harsh environment of the plume was sized to handle a progressive deceleration and cool down of the exhaust gas, preventing from liquid particle breakup. The task was achieved by diluting the swallowed flow with a cold inert gas and quenching the suspended particles using a liquid spray in a specific chamber. Quasi-1D gas dynamics was employed to support the sizing of the flow channels. A preliminary analysis from the thermal and structural point of view was also carried out. Specific activities were carried out to support the choice of the quenching liquid and the protocol for residue conservation and characterization. Tests performed on aluminum powder led to the choice of tetrachloroethylene as collection medium, since it did not influence active aluminum content and particle size distribution after prolonged exposure under various temperature conditions. A drying procedure based on the use of acetone was found to be effective to remove the quenching medium.

L’utilizzo di polvere di alluminio in propellenti solidi è una pratica comunemente impiegata per aumentare le prestazioni dei motori. L’elevata entalpia di reazione provoca un incremento della temperatura di fiamma e, di conseguenza, dell’impulso specifico ponderale. Uno dei principali svantaggi di questa tecnica è la formazione di particelle condensate, ossia solide o liquide, tra i prodotti di combustione. L’elevata inerzia cinetica e termica del particolato di grosse dimensioni fa sì che il flusso espulso dall’ugello sia più lento e freddo rispetto al caso ideale di gas monofase. L’impulso specifico è quindi ridotto. Pertanto lo studio della formazione degli agglomerati in camera di combustione e il loro sviluppo attraverso l’ugello è fondamentale al fine di migliorare le prestazioni del motore. Nel primo caso si utilizzano camere di raccolta nelle quali vengono bruciati piccoli provini di propellente per catturare gli agglomerati in prossimità della superficie di combustione. Ben più difficile da un punto di vista tecnologico è invece l’impiego di sonde vicino alla sezione d’uscita dell’ugello. L’attività descritta in questa tesi è parte di EMAP (Experimental Modelling of Alumina Particulate in Solid Booster), un progetto finanziato dall’Agenzia Spaziale Europea in collaborazione con DLR (Germania) e finalizzato alla caratterizzazione dei gas di scarico in uscita da un motore a propulsione solida in scala ridotta. Tra gli strumenti di misura proposti vi è una tecnica intrusiva per la raccolta dei prodotti di combustione. Il presente lavoro ha affrontato il problema nella sua totalità, a partire dalla progettazione di un sistema capace di catturare i residui presenti all’efflusso dell’ugello senza danneggiarli, fino ad arrivare al trattamento e alla preparazione all’analisi delle proprietà morfologiche e chimiche. La sonda presentata nella tesi è in grado di resistere all’esposizione al gas caldo e supersonico che fuoriesce dall’ugello. La sua configurazione interna consente di catturare le particelle sospese con uno spray dopo aver rallentato e raffreddato progressivamente il flusso bifase tramite miscelamento con un getto secondario. Il dimensionamento del sistema è stato effettuato servendosi di una modellazione quasi-monodimensionale dei condotti interni e conducendo un’analisi preliminare dei carichi termici e strutturali. È stata inoltre condotta una campagna sperimentale per scegliere il liquido di raccolta e definire una procedura di trattamento e caratterizzazione dei residui di combustione. Il tetracloroetilene ha dimostrato di non influenzare le proprietà dell’alluminio dopo contatto prolungato a diversi valori di temperatura di stoccaggio ed è stato pertanto selezionato come liquido da iniettare nella sonda per catturare le particelle. E’ stato anche elaborato un metodo di asciugatura dei campioni basato sull’aggiunta di acetone per rimuovere il liquido di sospensione.