CCP characterization from solid rocket plume : probe modeling and preliminary testing

The present work is part of the EMAP (Experimental Modeling of Alumina Particulate in Solid Booster) project, an ESA-funded program led by DLR (Germany) that aims at characterizing the rocket plume from a sub-scale solid rocket motor, whose exhaust gases properties should resembles the ones of Ariane 6. A collection system involving a supersonic probe has been conceived for that purpose. This device exploits an inert coolant flow to slow down and cool down the ingested supersonic flow, while a quenching liquid spray enables the collection of the condensed combustion products. This work focuses on the supersonic probe modeling and preliminary characterization. Three different studies were carried out to gain a broad overview of the apparatus inspecting its behaviour under nominal conditions, its flexibility to uncertainties, and, its real functioning during preliminary tests. A quasi 1D solver based on steady-state compressible equations proposed by Shapiro was employed to describe the internal fluid dynamics of the probe. The reliability of the numerical code was assessed and the probe behaviour was studied. A parametric investigation suggested a proper tuning of some parameters, especially the pressure in the collection chamber and the amount of coolant flow. Inherent uncertainties in the whole system were taken into account and a sensitivity analysis was performed. The most significant sources of error were considered and their effect on the probe behavior was studied by means of the Latin Hypercubes sampling and the aforementioned Shapiro code. The choking of the mixing chamber was found to be the most critical aspect, however the probe was proved to be a robust and flexible system, capable of withstanding variations from the nominal conditions. Some preliminary tests were carried out in order to detect undesired probe construction defects and to verify the working principles of the whole system. For that reason, the quenching liquid line was characterized and the injector behaviour was investigated under conditions resembling the ones expected during real operations

Il presente lavoro è parte integrante di EMAP (Experimental Modeling of Alumina Particulate in Solid Booster), un progetto finanziato dall’Agenzia Spaziale Europea in collaborazione con il DLR (Germania). Lo scopo di questo programma è la caratterizzazione dei gas di scarico provenienti da un motore a propulsione solida in grado di replicare in scala ridotta il motore del nuovo Ariane 6. Una sonda è stata pensata come sistema di raccolta per i residui di combustione in uscita dal motore. Tale strumento sfrutta un flusso freddo ed inerte per rallentare e raffreddare il gas di scarico supersonico ed uno spray per catturarne le particelle condensate. L’attività descritta nella tesi tratta della sonda in questione fornendo una sua modellizzazione ed una preliminare caratterizzazione sperimentale. Diverse analisi sono state condotte per acquisire una panoramica del sistema in oggetto; è stato infatti studiato il suo comportamento nominale, la sua versatilità e robustezza, infine il suo reale funzionamento durante test preliminari. La fluidodinamica interna della sonda è stata analizzata tramite un codice quasi monodimensionale basato sulle equazioni stazionarie e comprimibili proposte da Shapiro. L’affidabilità del codice implementato è stata inoltre verificata, permettendo quindi lo studio della sonda. I risultati hanno mostrato l’importanza di alcuni parametri, quali la pressione nella camera di raccolta e la quantità di flusso refrigerante. La presenza di incertezze intrinseche nel sistema ha reso necessaria un’analisi di sensitività, in cui sono state considerate le più importanti fonti di errore. La loro propagazione è stata possibile tramite l’uso del codice di Shapiro e degli Ipercubi Latini. Durante l’analisi sono stati riscontrati alcuni fallimenti nel funzionamento della sonda legati al raggiungimento della condizione sonica nella camera di miscela. Il sistema nel suo complesso si è però mostrato robusto a variazioni rispetto alle condizioni di progetto. Test preliminari sono stati eseguiti per controllare la presenza di difetti di produzione e comprendere i reali principi di funzionamento della sonda. Particolare attenzione è stata rivolta alla caratterizzazione della linea di adduzione del liquido di cattura, pertanto l’iniettore è stato analizzato cercando di replicare le condizioni operative a cui la sonda sarà effettivamente esposta.