Burning behaviour investigation of a lab-scale vortex combustion hybrid rocket motor

This thesis is focused on the testing of the a vortex flow pancake hybrid rocket motor (VFP) in quasi-steady and throttling conditions. The combustion chamber of this innovative hybrid rocket is limited by two fuel disks at the top and bottom faces and the oxidiser is injected tangentially between them. The peculiarity of this configuration is the L/D, since for the VFP L/D<1, making the VFP attractive for upper stages and in-space applications. This work was divided in two parts: the first comprehended ballistic experiments on the quasi-steady behaviour of the VFP and on its response to throttling events and re-ignitions. The second part of the work focused on the numerical simulation of the inner flow field of the VFP. The ballistic experiments were divided in seven test series, four running quasi-steady combustions, three focusing on re-ignitions and throttling events. All the combustions used gaseous oxygen (GOX) as oxidiser and the fuel was hydroxyl-terminated polybutadiene. To measure the regression rate, a TOT-based technique and a wire-cut sensor based technique were used. For quasi-steady experiments two semi-empirical correlations for the regression rate of both fuel disks were derived. Using the direct measurements of the regression rate, it was possible to estimate the behaviour of the regression rate during transients. The numerical simulation was performed with the aim of evaluating the influence of the combustion chamber asymmetry on the internal flow field. Simulations were run using the academic licence of Ansys Fluent, for a better insight of the peculiar behaviour of the VFP motor starting from the propellant mixing thanks to the vortex injection.

Il presente lavoro di tesi è volto a caratterizzare sperimentalmente il motore ibrido Vortex Flow Pancake (VFP) in condizioni quasi stazionarie e di transitorio. Il VFP presenta una configurazione innovativa, in cui la camera di combustione è un cilindro avente l'altezza inferiore al diametro. La camera di combustione è limitata da due dischi di combustibile e l'ossidante viene iniettato tangenzialmente tra questi, in modo da formare un vortice. Questa configurazione è di potenziale interesse per lo sviluppo di motori per stadi superiori di lanciatori e per missioni spaziali, in cui l'ingombro del sistema propulsivo costituisce un vincolo. La tesi è costituita da due parti consecutive: la prima parte è caratterizzata da una serie di prove a fuoco in cui il VFP viene testato sia in condizioni quasi-stazionarie che di transitorio. Per tutte le combustioni è stato usato ossigeno gassoso (GOX) come ossidante e polibutadiene a terminazione idrossile come combustibile. La caratterizzazione del rateo di regressione delle due superfici è stata effettuata tramite in due modi differenti: tramite la TOT, basata su misure differenziali di massa prima e dopo lo sparo, e tramite l'uso di sensori a rottura di fili. I risultati degli esperimenti in regime quasi stazionario hanno portato alla formulazione di una legge di regressione semiempirica. Dalle prove in regime dinamico è stato possibile ricostruire, tramite i sensori a rottura di fili, l'evoluzione del rateo di regressione durante una re-ignizione e quando soggetto a un ingresso a gradino di ossidante. La seconda parte è volta alla simulazione numerica del campo di moto fluido dinamico all'interno del VFP, nella quale è stata valutato l'impatto della geometria della camera di combustione sul campo di moto interno del VFP. La simulazione è stata effettuata usando la licenza accademica di Ansys Fluent.