Numerical and experimental analysis of kerosene evaporation for space applications

The problem of space debris is nowadays well know: an excessive concentration of artificial origin debris, of various dimensions, accumulated over years around Earth, compromises the safety of satellites currently functioning. To prevent such space pollution, among other things, the development of systems capable of de-orbiting, right after their use, upper stages that would stay in orbit, is been carried on. On such matter, the possibility of equipping a stage (Block I) of the Russian Soyuz launcher with a system capable of de-orbiting it is being studied, possible using leftover energy on board. Such energy is constituted by the pressurisation gasses, the residual propellants and the remaining charge of the batteries. Since the propulsion and feeding systems of Block I are not designed to fire again, to be able to use the leftover propellant the stage was thought to be equipped with an independent system, which would have an independent engine to perform the manoeuvre. Since the Block I, after staging, is in a weightlessness conditions and even it's attitude condition are unknown, to be able to use the residual propellant, it needs to be gasified. the gasification of the propellant is not an easy task, in particular for what concern the RP-1 fuel, which, unlike the liquid oxygen oxidizer, is not cryogenic and therefore has a relatively high boiling temperature; anyway, such operation could be performed inserting in the tank some hot gas, generated from the combustion of other propellants. For different reasons, it is necessary that the gasification process takes place in a sufficiently short time; for this reason it is necessary, on one hand, to accurately comprehend the mechanisms that could enhance the velocity of such process and, on the other hand, to create models accurate enough to describe the physical phenomenon at hand to allow a sufficiently reliable design of the system. To enhance the evaporation rate the use of the effects of ultrasounds was considered. Such a technique could use transducers using the residual charge of the batteries on board the stage as energy source. In this thesis, after an accurate description of the problem, the attention is focus on the evaporation of kerosene inside Block I tank and, in particular, on how to maximise the gasification rate of such propellant. In the first section the criticality of modelling kerosene evaporation with a hot gas flow are analysed and a model is proposed. Such model is then partially verified with an experimental part, included in the thesis, performed in the laboratories of Politecnico di Milano. Afterwards some methods to enhance the evaporation rate through ultrasounds are proposed. Finally, the most consisting and significant part of the thesis shows a numerical simulation of the droplet evaporation in a hot gas, this way conciliating both the subjects of the study developed in the sections described above. With this simulation, on one hand, the influence of ultrasounds is shown and, on the other hand, the effects on the evaporation of using as hot gas, instead of simple air, a gaseous mixture constituted by combustion products of an hybrid engine.

Il problema dei detriti spaziali è oggigiorno ormai ben conosciuto: un'eccessiva concentrazione di detriti di origine artificiale, di dimensioni diverse, accumulatisi negli anni intorno alla terra, compromette la sicurezza dei satelliti attualmente in funzione. La prevenzione di tale inquinamento spaziale prevede, tra le altre cose, il progetto di sistemi che siano in grado di deorbitare, subito dopo il loro utilizzo, quegli stadi dei lanciatori che altrimenti rimarrebbero in orbita. A tal proposito, si sta pensando di dotare uno stadio (Block I) del lanciatore russo Soyuz di un sistema in grado di deorbitarlo, possibilmente utilizzando l'energia residua dopo il lancio. Tale energia è costituita dai gas in pressione, dai propellenti residui e dalla carica rimanente nelle batterie. Poiché i sistemi di propulsione e di alimentazione del Block I non sono pensati per la riaccensione, per poter utilizzare i propellenti residui si è pensato di dotare lo stadio di un sistema indipendente, il quale abbia un proprio motore per eseguire la deorbitazione. Dal momento che, dopo il distacco, il Block I si trova in assenza di peso e per di più le sue condizioni di assetto non sono note, al fine di poter utilizzare il propellente residuo risulta necessario gassificarlo. La gassificazione del propellente non è un'operazione semplice, in particolar modo per quanto riguarda il combustibile RP-1, il quale, a differenza del comburente ossigeno liquido, non è criogenico e dunque ha una temperatura di ebollizione relativamente alta; ad ogni modo, tale operazione potrebbe essere realizzata inserendo nel serbatoio un gas caldo, generato dalla combustione di altri propellenti. Per diversi motivi, è necessario che l'operazione di gassificazione avvenga in un tempo sufficientemente breve; per ciò bisogna, da un lato, comprendere con accuratezza i meccanismi che possono migliorare la velocità ti tale processo e, dall'altro, disporre di modelli sufficientemente accurati per descrivere il fenomeno fisico in questione, affinché il progetto del sistema risulti affidabile. Per migliorare la velocità di evaporazione si è pensato di poter sfruttare l'effetto degli ultrasuoni. Una tecnica del genere potrebbe utilizzare trasduttori che sfruttano come fonte di energia quella residua nelle batterie dei sistemi di bordo. In questa tesi, dopo una descrizione dettagliata del problema, ci si focalizza sull'evaporazione del cherosene all'interno del serbatoio del Block I e, in particolare, su come è possibile massimizzare la velocità di gassificazione di tale propellente. In una prima parte si analizzano gli aspetti critici legati alla modellazione dell'evaporazione in presenza di un flusso di gas caldo e si propone un modello per descrivere questo fenomeno. Tale modello è poi in parte oggetto di un'analisi sperimentale, anch'essa descritta nella tesi, la quale è stata condotta nei laboratori del Politecnico. In seguito, si propongono alcuni metodi per aumentare la velocità di evaporazione tramite ultrasuoni. Infine, la parte più consistente e significativa della tesi mostra una simulazione numerica dell'evaporazione di gocce in un gas caldo, conciliando entrambi gli ambiti di studio sviluppati nelle sezioni sopra citate. Con tale simulazione si mostra, da un lato, la possibile influenza degli ultrasuoni e, dall'altro, gli effetti sull'evaporazione dovuti al fatto di usare come gas caldo, anziché semplice aria, una miscela gassosa costituita dai prodotti di combustione di un motore ibrido.