Design of a 2-D solid rocket motor with a transparent wall

This thesis work developed the complete design of a solid rocket motor using an aluminized propellant, with a transparent wall to supply a direct observation of all the phenomena occurring inside during its operating time. The project is thought to allow a following experimental phase during which to analyze the behavior of the solid agglomerates generated due to the presence of aluminum, from their growth during combustion till their expansion inside the exhaust nozzle. The phenomena of interest take place in the longitudinal plane of the motor, so the design concerns an extreme two-dimensional shape in order to obtain a minimal image depth collected with a proper high-speed camera aligned to the previously written transparent wall. In such context, all the possible issues have been considered, starting from the sizing of each system component till the assembly/disassembly of the whole motor. In addition, a numerical simulation of all the main system components has been performed from both a mechanical and thermal point of view in order to support the design phase with further useful data on the motor behavior during its operating time, with clear advantages in the projects development. In conclusion, in this work a preliminary design of the experimental line has been supplied, by focusing on the needed devices to obtain a proper visualization and structural support for the investigated system.

In questo lavoro di tesi è stato sviluppato il design completo di un motore a razzo con propellente solido alluminizzato, avente la particolarità di presentare una parete trasparente tramite cui poter osservare tutto ciò che avviene al suo interno durante la sua fase operativa. L’intero progetto è stato pensato per essere successivamente inserito in una fase sperimentale atta a studiare il comportamento degli agglomerati solidi generati dalla presenza d’alluminio, dalla loro formazione durante il processo di combustione fino alla seguente espansione nell’ugello d’efflusso. Si prevede di analizzare i fenomeni di interesse nel piano longitudinale del motore e questo ci ha portati a un design che estremizzi la sua bidimensionalità, con dunque una minima profondità delle immagini ad alta velocità raccolte tramite un’apposita fotocamera allineata alla parete trasparente descritta sopra. In tale contesto è stato necessario prevedere tutte le possibili problematiche di progetto, andando dal dimensionamento delle singole componenti del motore fino a considerazioni legate alla facilità di assemblaggio e disassemblaggio dello stesso. In supporto al design numerico è seguita una fase di simulazione meccanica e termica delle principali componenti del motore al fine di verificarne la tenuta durante il regime operativo dello stesso, con tutti i vantaggi associati all’impiego di tale procedura nell’economia dell’intero progetto. Infine, è stato fornito un design preliminare per l’intera linea sperimentale che sarà necessaria per condurre la fase di testing, comprendendo dunque opportuni sistemi di visualizzazione dei fenomeni interni al motore così come adeguate strutture di sostegno, protezione e movimentazione dello stesso.