Preliminary design of a 40 kN hybrid rocket motor

The present thesis describes a preliminary design of a 40 kN hybrid rocket motor required to operate at sea level for 30 s. The design was conducted in order to obtain the best performance while maintaining low cost and low design complexity. Two propellants were examined: hydrogen-peroxide with polyethylene and nitrous oxide with hydroxylterminated- polybutadiene. A literature review of hybrid history, internal ballistics, performance enhancement and ablative materials for mixing chamber protection has been conducted. After having determined the ideal combustion and performance for each propellant combination, the first part of the numerical investigation involved single-port grains with fixed fuel mass. The results obtained in this phase led to the search for a multi-port configuration, which proved to be compliant with the specifications minimizing length and better-exploiting the available cross section. The parametric investigation was performed on a wide range of length and oxidizer mass flow rates, aiming to find the configuration whose combustion conditions and performance were closer to the ideal case. Based on minimum length, total mass and sliver fraction, the best configuration of each propellant combination have been compared, resulting in HTPB-N2O, 7-ports, to be the final choice for our rocket. For this final configuration a ± 2 kN thrust modulation has been considered and numerically simulated. This can be successfully applied using an oxidizer flow valve and a control system to regulate the flow with an accuracy of several g/s in 0.1 s.

La presente tesi descrive il progetto preliminare di un razzo a motore ibrido da 40 kN di spinta, il cui impiego prevede un’accensione di 30 s al livello del mare. Il design è stato condotto con il fine ultimo di ottenere le più alte prestazioni mantenendo al contempo un costo limitato ed un progetto semplice. I propellenti testati, anch’essi imposti dalle specifiche, sono polietilene ed acqua ossigenata, e HTPB (hydroxyl-terminatedpolybutadiene) con ossido di diazoto. A supporto del lavoro è stata condotta una ricerca in letteratura riguardante la storia degli ibridi, la loro balistica interna, i metodi di incremento delle prestazioni e i materiali ablativi utilizzabili per la protezione della camera di combustione. Dopo aver determinato le condizioni ideali di combustione e le prestazioni ottenibili in tali circostanze per ciascuno dei propellenti, la prima parte del progetto si è concentrata su grani a porto singolo e massa di combustibile fissata. I risultati ottenuti in questa prima parte, ci hanno condotto a spostare la nostra attenzione su grani a più porti, i quali si sono rivelati meglio rispondenti alle specifiche, consentendo lunghezze limitate ed un miglior sfruttamento dello spazio disponibile radialmente. Tutti i calcoli sono stati svolti considerando un’ampia selezione di lunghezze e portate di ossidante, al fine di determinare quale combinazione fornisse prestazioni il più vicino possibile alle condizioni ideali. Basando i requisiti di selezione su minime lunghezza del grano, massa di propellente e frazione inerte di propellente, da ciascuna delle due combinazioni è stata scelta la miglior configurazione. La configurazione definitiva del nostro razzo prevede un motore alimentato da HTPB ed N2O con grano a 7 porti. Le specifiche della missione richiedevano infine una modulazione di spinta di ± 2 kN sulla configurazione finale, la quale è stata simulata numericamente. Il successo della stessa, dimostrato possibile dai test, può essere ottenuto tramite l’utilizzo di una valvola e di un sistema di controllo del flusso dell’ossidante con una precisione nell’ordine del grammo al secondo e transitori inferiori a 0.1 s.