Testing of a vortex flow hybrid rocket motor

This thesis focuses on the test of a vortex flow pancake (VFP) hybrid rocket motor. The system is characterized by an exotic geometry with length to diameter ratio (L/D) lower than 1. Two large fuel disks are faced and limit the combustion chamber volume. A tangential injection of the oxidizer is performed on the lateral surface of the combustion chamber. A vortex drain type flow-field is induced by the tangential oxidizer injection, causing the regression of both fuel surfaces. One side of the motor lodges the motor igniter, the other yields to the gas-dynamic nozzle. The work was developed exploiting three different experimental rigs. The VFP peculiar vortex-drain type flow field was studied through cold-flow visualizations. They were performed both under quasi-steady and forced transient operating conditions. Different heights of the chamber have been investigated by ad hoc realized spacing disks, together with different oxidizer mass flow rate values. A relation between these two parameters and the vortex structure was observed. Firing tests were performed on the VFP with HTPB as fuel and gaseous oxygen (GOX) as oxidizer. Quasi-steady operating conditions were investigated by four tests with multiple runs, with m_ ox = 8 g=s. A TOT data reduction approach was applied, based on the weight change of the VFP before and after each firing. A combustion efficiency of 70-80% was computed during the quasi-steady runs. A decreasing trend of the regression rate was derived for increasing pancake disk separation. Forced transient operating conditions (stop and re-start) were investigated by a single test, at m_ ox = 8 g=s and pc = 1:3 MPa. A complete throttling down was performed, followed by a re-ignition, triggered by hot-spots on the grain surface, generated by the heat diffusion on the solid fuel surface during shut-down. No marked overshoot/undershoot of pc(t) during the run were observed The flame behavior during forced transient regime were visualized on a 2D-micro slab burner apparatus and recorded by a high-speed video camera. Quasi-steady, stop and re-start tests were performed. Under tested operating conditions, a stable flame and boundary layer development were noticed during quasi-steady combustion, before and after the shut-down interval. This observation was consistent with the pressure trace acquired during the non-steady VFP firing test.

Il presente lavoro di tesi si concentra sullo studio di un motore ibrido: il vortex flow pancake (VFP). Questo sistema, caratterizzato da una geometria alternativa, presenta il rapporto lunghezza/diametro (L/D) minore di 1. Due dischi di combustibile limitano il volume di camera di combustione. L’ossidante viene iniettato tangenzialmente, generando l’insorgenza di un vortice. Entrambi i dischi presentano un canale centrale. In un caso, quest’ultimo consente l’alloggiamento dell’accenditore del motore, mentre il secondo porto consente il flusso dei gas caldi verso l’ugello. Il lavoro è stato sviluppato su tre diversi apparati sperimentali. Il vortice che si instaura in camera di combustione è stato studiato attraverso delle visualizzazioni a freddo, in condizioni operative quasi-stazionarie e di transitorio forzato. Diverse altezze di camera e diversi valori di portata massica di ossidante sono stati investigati. Una relazione tra questi ultimi due parametri e la struttura che il vortice sviluppa all’interno del volume di combustione è stata osservata. Inoltre, sono state effettuate prove a fuoco con polibutadiene a terminazione idrossilica (HTPB) come combustibile, e ossigeno gassoso, come ossidante. Quattro test, ciascuno diviso in più segmenti, sono stati eseguiti in condizioni operative quasi stazionarie, con portata massica di combustibile di 8 g=s. I dati balistici sono stati ridotti mediante un approccio di tipo spessore su tempo (TOT), basandosi sul peso dei grani del VFP prima e dopo ogni prova a fuoco. Una efficienza di combustione del 70 - 80% è stata ottenuta durante queste prove. La velocità di regressione rf ha mostrato un andamento decrescente, con l’aumento del volume di camera di combustione. Un singolo test è stato eseguito in condizioni di transitorio forzato, con spegnimento e riaccensione del motore. Questa ultima è stata innescata dalla presenza di zone più calde, generate dalla diffusione di calore all’interno del combustibile durante lo spegnimento. Non sono state osservate marcate oscillazioni di pressione durante il test. Per visualizzare il comportamento della fiamma diffusiva durante la condizione operativa di transitorio forzato, sono state effettuate delle prove su un bruciatore 2D a lastra piana. Le combustioni sono state registrate tramite una videocamera ad alta velocità. Su questo apparato sono stati eseguiti test quasi stazionari a di transitorio forzato, con spegnimento e riaccensione. Nelle condizioni operative testate, lo sviluppo della fiamma e dello strato limite attorno ai provini si è rivelato stabile, in ogni fase delle prove. Questo comportamento è consistente con la regolarità della traccia di pressione acquisita durante la prova a fuoco non-stazionaria del VFP.