Experimental investigation of kerosene evaporation for space propulsion applications

Since human space activities began, debris generated by these activities started to accumulate orbiting around Earth. During the first 30 years, this situation was ignored, leading to a situation with hundreds of thousands dangerous pieces in orbit. At present, main space agencies and societies have started to concern and looking for means to reduce the amount of debris in the LEO and GEO orbits, as well as trying to find means to avoid the generation of new debris from future launches. Among a lot of methodologies that are intended to remove the space debris, one such possibility is the use of the left-over propellant, mainly in its gaseous form in a small auxiliary rocket engine. In this thesis first the problem was analyzed and described, then two separate series of experiments were performed. A series of droplet evaporation tests trials were performed with the goal of estimating the evaporation co-efficient, as used in the D squared equation, comparing the trends for kerosene at varying temperature. Following this, a series of pool evaporation tests were performed using different kerosene injection methods in order to determine how closely the evaporation time changes at various temperatures, tracked the expected trend computed with the aid of a theoretical model, in order to validate the experimental setup. Subsequently trials using kerosene loaded with 5% aluminum nanoparticles were performed, with an inappreciable effect on the evaporation time at lower temperatures.

Da quando sono iniziate le attività spaziali umane, i detriti generati hanno iniziato ad accumularsi nelle orbite attorno alla Terra. Durante i primi 30 anni di attività spaziali questa situazione è stata ignorata, portando a una situazione con migliaia di pericolosi detriti in orbita. Al momento, molte agenzie spaziali stanno studiando possibili soluzioni per una riduzione dei detriti spaziali nelle orbite LEO e GEO, oltre a trovare soluzioni per evitare una ulteriore produzione di detriti dai futuri lanci. Tra le possibilità di rimuovere i detriti spaziali, una di queste possibilità è l’uso del propellente residuo, che permane nei serbatoi al termine della missione, da impiegare in forma gassosa in un piccolo motore ausiliario. In questa tesi si è preliminarmente analizzato e descritto il problema, quindi sono state eseguite due serie separate di esperimenti. Una prima serie di prove ha indagato l’evaporazione delle goccioline con l’obiettivo di stimare il coefficiente di evaporazione utilizzato nell’equazione del quadrato del diametro, confrontando gli andamenti per l’evaporazione del cherosene a temperature variabili. Successivamente è stata condotta una serie di prove di evaporazione del cherosene, raccolto in una piccola piscina, studiando diversi metodi di iniezione del cherosene al fine di determinare l’influenza della temperatura. Infine sono state effettuate prove con cherosene, caricato con nanoparticelle di alluminio al 5%, con un effetto inapprezzabile sul tempo di evaporazione a temperature più basse