Indagine sperimentale della fenomenologia dell'entrainment in combustibili per endoreattori ibridi

The thesis work concerns the study of the entrainment phenomenology that develops in the hybrid rockets combustion chambers for space propulsion applications. The thesis, of experimental nature, concerns solid, low-temperature melting fuels made up of paraffinic hydrocarbons, which after heating form a liquid layer on the surface. This liquid layer is unstabilized by the action of the oxidant appropriately introduced into the combustion chamber, giving rise to entrainment phenomena. The thesis involves a radical update of the pre-existing experimental system and originally develops the methodologies for the images management, collected using high-speed video recording techniques. The results obtained concern an extensive experimental campaign in which two paraffinic formulations are investigated. The first consists of a pure paraffin, the second one is added with a special polymer useful for improving the solid fuel mechanical properties. The results obtained confirm the influence of the liquid layer viscosity and the effects that this determines on the development of entrainment phenomena. The results of the thesis together make a significant contribution to the development of hybrid rockets, using paraffinic fuels, which are of great interest for the reduction of costs in space propulsion systems.

Il lavoro di tesi riguarda lo studio della fenomenologia dell'entrainment che si sviluppa nelle camere di combustione di endoreattori di tipo ibrido per applicazioni di propulsione spaziale. La tesi, di carattere sperimentale, ha riguardato combustibili solidi bassofondenti costituiti da idrocarburi a base paraffinica, che a seguito di riscaldamento formano uno strato liquido in superficie. Detto strato viene instabilizzato per azione dell'ossidante opportunamente introdotto in camera di combustione dando luogo a fenomeni di entrainment. La tesi ha coinvolto un radicale aggiornamento dell'impianto sperimentale preesistente e ha originalmente sviluppato le metodologie per la gestione delle immagini raccolte con tecniche di video registrazione ad alta velocità. I risultati ottenuti riguardano una estensiva campagna sperimentale nella quale sono state indagate due formulazioni a base paraffinica. La prima costituita da paraffina pura, la seconda addittivata con un apposito polimero utile per il miglioramento delle proprietà meccaniche del combustibile. I risultati ottenuti confermano l'influenza della viscosità dello strato liquido e gli effetti che questa determina sullo sviluppo dei fenomeni di entrainment. I risultati della tesi complessivamente apportano un significativo contributo per lo sviluppo degli endoreattori di tipo ibrido, impieganti combustibili a base paraffinica, che risultano di grande interesse per la riduzione dei costi nei sistemi di propulsione spaziale.