Experimental investigation of kerosene evaporation for space propulsion applications

Space debris is a well-known danger to spaceflight, especially in low orbit, due to the catastrophic consequences that a collision would have. A large portion of such debris is constituted by spent upper stages which have not been deorbited. Ensuring that these launch vehicle components are able to safely dispose themselves after completing their main mission is an important measure to contain the number of debris being created due to routine launch activities. To this end the possibility of including an autonomous deorbit system on the Russian Block I upper stage, used on some variants of the Soyuz launch vehicle, is being studied. One possibility would be to use the left-over propellant in gaseous form in a small auxiliary rocket engine to perform the disposal maneuver. To this end the evaporation characteristics of kerosene need to be further studied. In this thesis first the problem was analyzed and described, then two separate series of experiments were performed. A series of low-temperature pool-evaporation trials was performed with the goal of estimating the evaporation coefficient, as used in the Hertz-Knudsen equation, comparing the different trends for water and kerosene at varying temperature, in which the greatly increased effectiveness of spray evaporation was determined. Following this, a series of high-temperature droplet evaporation tests were performed in order to determine how closely the evaporation rate change at various temperatures tracked the expected trend, computed with the aid of a theoretical model, in order to validate the experimental setup. The predicted and observed rates were a satisfactory match at intermediate temperatures, while at the lower and higher ones a larger divergence was seen. Subsequently trials using kerosene loaded with aluminum nanoparticles were performed, with an appreciable effect on the evaporation rate only with the highest loading used. In these trials however an increased dispersion of the individual measurements was observed.

L'elevato numero di detriti spaziali rappresenta un serio problema per le missioni orbitali, in particolare per quelle in orbita bassa, a causa delle importanti conseguenze che un impatto può avere. Una parte considerevole dei detriti attualmente presenti in orbita è rappresentato da stadi di lanciatori che non sono stati deorbitati. Assicurarsi che questi veicoli siano in grado di deorbitarsi autonomamente rappresenta un'importante misura preventiva per limitare il numero di detriti in orbita terrestre creati durante le normali attività di lancio. A questo scopo è in corso di valutazione la possibilità di includere un sistema di deorbit autonomo sul terzo stadio russo Block I, utilizzato su alcune versioni del lanciatore Soyuz, per sfruttare il propellente residuo in un motore ausiliario di ridotte dimensioni. È quindi risultato opportuno approfondire il comportamento di evaporazione del kerosene. In questa tesi il problema in questione è stato descritto ed analizzato, e in seguito sono state compiute due serie di prove sperimentali. Innanzitutto si sono effettuate delle prove di evaporazione a bassa temperatura con l'obiettivo di stimare il coefficiente di evaporazione e valutare come questo cambiasse al variare della temperatura, durante le quali è stato notato come l'evaporazione di uno spray avesse il potenziale di accelerare significativamente il processo. Per questo motivo sono state poi condotte delle prove sperimentali di evaporazione di gocce ad alta temperatura, valutando quanto fedelmente il cambiamento del rateo di evaporazione al variare della temperatura seguisse la predizione di un modello teorico, valutando così il setup sperimentale. Il modello teorico impiegato e le osservazioni sperimentali hanno mostrato una buona corrispondenza alle temperature intermedie, divergendo invece a quelle più basse e più alte. Infine, sono state effettuate delle prove caricando di nanoparticelle di alluminio il kerosene, in cui è stato possibile rilevare un aumento della velocità di evaporazione alla temperatura più elevata e col carico di nanoparticelle più elevato. In queste prove tuttavia la dispersione dei risultati è stata superiore a quella ottenuta nelle prove con kerosene puro.