Development of a morphing orientable nozzle for small rocket engines

The development of a corrugated composite nozzle is herein presented. The aim is to proof the possibility to apply corrugated morphing structures to a rocket engine in order to deflect the exhaust gases, obtaining a TVC capability. The study focuses first on the selection of the most suitable engines to which apply the technology under investigation. Then, the thermal and structural problems are addressed. The aim is to develop a thermal protection system able to withstand the thermal loads allowing, at the same time, the deflection of the nozzle with the lowest contribution to the overall stiffness. Furthermore, the corrugated nozzle has to bend and carry the axial loads, in order to limit the required force in the actuation system. Different configurations are tested through numerical models, simulating various combinations of materials in order to identify the best one. A proposal about the manufacturing process is also presented, and, finally, a preliminary sizing of the actuation system is addressed. The prediction of the thermal performances is evaluated through Matlab and FE models. The thermal analyses are able to predict the temperature profile along the TPS, ensuring that the materials do not exceed their limit for chemical stability within the firing time. The structural behaviour has been investigated entirely by means of FE analyses. Stress domain in the corrugated part of the nozzle are computed to ensure the possibility to deflect the nozzle at the desired rotation angle. Structural FE models are also exploited to predict the necessary moment to deflect the nozzle. The results confirm the possibility to obtain a TVC capability by means of the deflection of a corrugated composite nozzle. Furthermore, the maximum deflection angle demonstrated by FE analyses is almost double with respect the common requirements for a TVC system. The necessary moment to deflect the nozzle is acceptable, but further improvements to decrease it can be done, especially about the geometry of the ablative system.

La presente relazione di tesi riguarda lo sviluppo di un ugello morphing orientabile in materiale composito. L'obiettivo è quello di dimostrare la possibilità di ottenere un sistema TVC tramite la deflessione del divergente dell'ugello, deviando di conseguenza i gas combusti, sfruttando le proprietà delle strutture in composito corrugato. Nel presente studio si introduce, nella prima parte, la selezione di motori a razzo compatibili con i requisiti geometrici e propulsivi considerati. Successivamente viene presentato lo studio sul sistema di protezione termica. Lo scopo è quello di individuare una configurazione che permetta di proteggere termicamente la struttura corrugata dell'ugello e, contemporaneamente, che abbia un contributo alla rigidezza complessiva che sia il minore possibile. Infine viene analizzata la struttura corrugata da un punto di vista strutturale. Il sistema infatti deve avere bassa rigidezza a flessione ma allo stesso tempo deve resistere ai carichi assiali derivanti dalla pressione generata dai gas combusti. Quest'ultima caratteristica è infatti fondamentale, non solo per assicurare che la struttura corrugata non collassi sotto l'azione del contributo di spinta della sezione in questione, ma anche per evitare di trasferire il carico assiale sugli attuatori. Diverse con figurazioni di materiali sono state simulate per identi ficare quella con le migliori caratteristiche, anche in termini di peso. Viene presentato inoltre un possibile metodo di realizzazione costruttiva della configurazione finale individuata ed, infine, un dimensionamento preliminare del sistema di attuazione. Il problema termico è studiato attraverso lo sviluppo di modelli in Matlab e successivamente tramite la realizzazione di un modello ad elementi finiti. In particolare è stato studiato il profilo di temperatura all'interno del sistema di protezione termica per assicurare la stabilità chimica dei materiali strutturali durante tutto il periodo di sparo. Il problema strutturale è analizzato attraverso lo sviluppo di modelli ad elementi finiti. Questi ultimi sono utilizzati per calcolare il valore di sforzi e deformazioni all'interno dei materiali, assicurando la possibilità di flettere l'ugello all'angolo di rotazione desiderato, e allo stesso tempo per predire il momento necessario per la flessione della struttura corrugata. I risultati confermano la fattibilità realizzativa di un sistema di TVC tramite la corrugazione della struttura in composito del divergente dell'ugello. Inoltre è stato dimostrato che è possibile raggiungere un angolo di deflessione quasi doppio rispetto ai requisiti identificati, senza comprometterne l'integrità strutturale. Il valore previsto per il momento necessario alla flessione dell'ugello è accettabile, ma è possibile un discreto margine di miglioramento analizzando ulteriormente la geometria del sistema di ablazione.