Characterization of paraffin-based hybrid rocket motor fuels

Paraffin waxes represent an important class of solid fuels for hybrid rocket propulsion because of the sensitive increase in regression rate which is possible to obtain compared with traditional fuels. The melting of these fuels forms a thin, hydrodynamically unstable liquid layer on the surface and the entrainment of droplets from the liquid–gas interface increases the rate of fuel mass transfer. Due to the well-known unsuitable mechanical properties, typical of pure paraffin waxes, an increase of elasticity and toughness is mandatory in order to use paraffin wax as solid fuel for hybrid rockets. Several formulations are investigated for the strengthening of paraffin waxes, with a special focus on those containing different mass fractions of a styrene-based thermoplastic elastomer (Polystyrene-block-poly(ethylene-ran-butylene)-block-polystyrene grafted with maleic anhydride, named SEBS-MA). Among several kinds of energetic fillers studied, metal hydrides are the most interesting. The combustion of metals is highly exothermic and the hydrogen presence leads to many benefits such as the enhancement of the fuel energetic content, increase of the specific impulse and regression rate. The sensitivity to moisture, which is the most serious drawback of LAH, is studied exploiting the hydrophobic behavior typical of the paraffin wax. The investigated paraffin-based fuels are characterized in terms of thermal, rheological and mechanical behavior in order to reach a good trade-off between mechanical and ballistic properties. This research project, performed at the Aerospace Science and Technology Department of Politecnico di Milano, is focused on the development of innovative solid fuels for hybrid rocket propulsion (fuel in solid state, oxidizer in liquid or gaseous state). The investigation of fuels characterized by a low melting temperature, such as paraffin-based solid fuels is performed using different strategies. The first one involves the investigation of different paraffinic material i.e. macro- and microcrystalline waxes. Paraffin is easily available inexpensive material, while it is soft and brittle. However, the mechanical properties of PBSF need to be improved: paraffin itself is too brittle compared to rubbers as polymerized HTPB especially at low storage temperatures in deep Space. The second one is based on the filling of paraffin-based fuels, with strengthen material (polymers), such as SEBS, PE, SIS, EVA in order to improve mechanical properties of the paraffin. The third strategy, involves investigation of compositions with metal hydrides (i.e. Magnesium hydride (MgH2) or Lithium Aluminum hydride (LiAlH4)) in order to enhance the regression rate. Viscoelastic, mechanical, thermal (DSC), and ballistic (regression rate measurement) tests are carried out in order to obtain information about this new family of fuels.

Le cere a base paraffinica rappresentano un'importante classe di combustibili solidi per razzi a propulsione ibrida, grazie al notevole aumento nella velocità di regressione che è possibile ottenere rispetto ai combustibili tradizionali. La fusione di questi combustibili porta alla formazione sulla superficie di un sottile strato liquido, idrodinamicamente instabile, e il conseguente distacco di gocce dall'interfaccia liquido-gas, detto entrainment, aumenta lo scambio di massa del combustibile. A causa delle note scarse proprietà meccaniche, tipiche delle cere a base di pura paraffina, un aumento di elasticità e resistenza è indispensabile per poterle utilizzare come combustibili in un razzo ibrido. Sono studiate varie formulazioni per il rafforzamento delle cere, concentrandosi in particolare su diverse frazioni massiche di un elastomero termoplastico a base stirenica (Polistirene-blocco-poli(etilene-butilene)-blocco-polistirene additivato con anidride maleica, detto SEBS-MA). Tra i diversi tipi di additivi energetici studiati, gli idruri metallici sono i più promettenti. La combustione di metalli è fortemente esotermica e la presenza di idrogeno porta a molti benefici, come l’incremento del contenuto energetico del combustibile, l’aumento dell’impulso specifico e una più elevata velocità di regressione. La sensibilità all’umidità, che è il principale svantaggio dell’LAH, è analizzata sfruttando il comportamento idrofobo tipico delle cere a base paraffinica. I combustibili studiati sono caratterizzati nelle loro proprietà termiche, reologiche e meccaniche, al fine di raggiungere un buon compromesso tra prestazioni meccaniche e balistiche. Questo progetto di ricerca, svolto al Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano, si concentra sullo sviluppo di combustibili innovativi per razzi a propulsione ibrida (combustibile allo stato solido, ossidante liquido o gassoso). Lo studio di combustibili caratterizzati da una bassa temperatura di fusione, ad esempio quelli solidi a base paraffinica, è svolto con l’ausilio di diverse strategie. La prima si basa sullo studio di diversi materiali a base paraffinica, come cere macro e microcristalline. La paraffina è un materiale facilmente reperibile e di basso costo, sebbene sia fragile e relativamente morbida. Infatti le proprietà meccaniche del PBSF devono essere migliorate: la paraffina pura è troppo fragile se confrontata con le gomme, come l’HTPB polimerizzato, specialmente alle temperature che caratterizzano le applicazioni nello spazio profondo. La seconda strategia si basa sull’additivazione di combustibili a base paraffinica con materiali polimerici, come SEBS, PE, SIS, EVA, per incrementare le proprietà meccaniche della paraffina. La terza strategia riguarda lo studio di formulazioni con idruri metallici (come l’idruro di magnesio (MgH2) o l’idruro di litio-alluminio (LiAlH4)) per migliorare la velocità di regressione. Esperimenti sulle proprietà viscoelastiche, termiche (DSC) e balistiche (misura della velocità di regressione) sono svolti per ottenere informazioni su questa nuova famiglia di combustibili.