Rheological and burning behavior of paraffin-based fuels for hybrid rocket propulsion

This work focuses on the rheological and ballistic characterization of paraffin-based fuel formulations for hybrid rocket propulsion. Pure paraffin fuels and paraffin-thermoplastic binder blends were tested. The pure waxes used are Sasol6805, Sasol6003 and Sasol0907. In the blends, the paraffin waxes were mixed with a suitable thermoplastic polymer to reinforce their mechanical properties. The reinforcing polymer mass fraction ranged from 2.5 to 40%. The relative ballistic grading is performed by a 2D radial micro-burner enabling lab-scale testing of different fuel formulations under controlled operating conditions. Firing tests were conducted in gaseous oxygen (GOX) and in N2O under a chamber pressure (p_c) of 1.0 MPa with oxidizer mass flow rate (m_ox) of 6 g/s. Experimental results were implemented using a time-resolved technique for relative ballistic grading of the tested solid fuel formulations with respect to the baseline (cured hydroxyl-terminated polybutadiene - HTPB) burning in GOX. Combustions in GOX revealed a marked influence of the oxidizer mass flux (G_ox) on the regression rate, that is reduced when testing the same formulations in N2O

Il presente lavoro tratta la caratterizzazione reologica e balistica di combustibili a base paraffinica per propulsione di razzi ibridi. Sono state testati combustibili di paraffina pura e mescole di paraffina-legante termoplastico. Le paraffine pure utilizzate sono Sasol6805, Sasol6003 e Sasol0907. Nelle mescole queste paraffine sono state miscelate con un polimero termoplastico adatto a rinforzare le proprietà meccaniche della matrice di combustibile solido. La frazione massica del polimero di rinforzo varia dal 2.5 al 40%. Il confronto balistico è stato effettuato tramite un micro-bruciatore 2D che permette di testare differenti formulazioni di combustibile in diverse condizioni operative controllate. I test sono stati condotti in ossigeno gassoso (GOX) e in N2O alla pressione in camera di combustione (p_c) di 1.0 MPa con portata massica di ossidante (m_ox) di 6 g/s. I risultati sperimentali sono stati implementati per mezzo di una tecnica time-resolved in grado di fornire un confronto tra le formulazioni testate e una formulazione base (hydroxyl-terminated-polybutadiene - HTPB) bruciata in GOX. Le combustioni in GOX hanno rivelato una forte influenza del flusso massico dell’ossidante (G_ox) sulla velocità di regressione, che si riduce quando le stesse formulazioni sono testate in N2O.