Regression rate investigation of high regression rate fuel formulations

This thesis work deals with an experimental investigation of the ballistics of solid fuel formulations for hybrid rocket propulsion. On the one hand, hybrid rocket engines offer many interesting features: as safety, reduced recurring costs and high operating flexibility. On the other hand full exploitation of HREs is hampered by the low fuel regression rate (in turn limiting the motor thrust). In this work the regression rate rf of paraffin-based fuel formulations burning in a lab-scale HRE is evaluated by different non-intrusive approaches. The tested samples have cylindrical shape with single central port perforation. The implemented data reduction techniques are based central port diameter measurement before and after the test and on the sample mass change. For both techniques, a rf value averaged in time and along the length of the sample, was obtained. In order to consider different conditions for the tests, two oxidizer mass flow rates and different sample lengths were tested. The consistency of the two data reduction approaches is testified by the the fact that, in spite of minor differences on the rf values (that results lower than 10%), the overall regression rate correlation to the oxidizer mass flux is in agreement between the measurement techniques. The evaluation of the combustion uniformity along the port length showed the existence of a uniform regression profile with minor diameter differences (lower than 15% of the average diameter value). The standard oxidizer injection yielded a relatively uniform regression process, with minor differences between the diameter measurements along different (fixed) radial directions. A purposely defined anisotropy index, based on the average difference between the sample average port diameter and the values measured at different orientations shows that differences lower than 2% characterizes the tested configuration.

Questo lavoro di tesi si occupa di una indagine sperimentale sulla balistica di formulazioni di combustibile solido per applicazioni in propulsori ibridi. Questo tipo di motori possiede infatti interessanti caratteristiche: sicurezza, riduzione dei costi ed elevata flessibilità operativa. Il pieno sfruttamento degli endoreattori a propellenti ibridi (HRE) è però ostacolato dalla bassa velocità di regressione dei combustibili solidi convenzionali (caratteristica, questa, che limita la spinta ottenibile dal sistema con configurazioni semplici del grano). In questo lavoro, si è valutato il rateo di regressione (rf) di formulazioni di combustibili a base paraffinica attraverso diverse tecniche di misura non intrusive. I campioni testati sono di forma cilindrica con una singola perforazione per il porto centrale. Le tecniche di elaborazione dei dati implementate sono basate sulla misurazione del diametro del porto centrale prima e dopo la combustione e sulla variazione di massa del campione. Per entrambe le tecniche, si è ottenuto un valore di velocità di regressione mediata nel tempo e lungo la lunghezza del campione. Il comportamento balistico dei combustibili è stato valutato in condizioni sperimentali diverse (portata massica di ossidante di 2.5 e 5 g/s, corrispondenti a flussi specifici iniziali di 50 e 99.5 kg/m^2s. Vi è una consistenza nell'elaborazione dei dati, testimoniata dal fatto che, nonostante minori differenze sui valori di rf (che risultano inferiori al 10% ), ci sia una generale congruenza fra i trend della velocit\'a di regressione misurata, con il flusso di ossidante. La valutazione dell'uniformità di combustione lungo la lunghezza del provino ha dimostrato l'esistenza di un profilo di regressione uniforme con lievi variazioni di diametro (inferiori al 15% del diametro medio). L'ignizione dell'ossidante ha prodotto un processo di regressione relativamente uniforme, con piccole differenze tra le misurazioni dei diametri, lungo le diverse direzioni radiali (considerati). Un indice di anisotropia appositamente definito, sulla base della differenza media tra il valore medio del diametro del porto del campione ed i diametri locali misurati lungo diverse direzioni radiali, mostra variazioni inferiori al 2%. Ciò va a caratterizzare la configurazione testata.