Design and implementation of an experimental test bench for controlled depressurization of solid propellant combustion

The study of low-pressure burning of solid propellants is aimed at finding a safe and reliable method to enhance flexibility in solid rocket motors. The control of the pressure history inside the combustion chamber, in fact, may enable a way for achieving extinction and re-ignition of solid propellants. Several theoretical and experimental studies have already concentrated on quasi-steady pressure decrease (PDL) and rapid depressurization analysis. In this work, however, the emphasis is given to an intermediate range of pressure decrease rates. The present thesis focuses on the development of a dedicated experimental test bench to be used for a campaign about controlled depressurization of solid propellant combustion. A closed loop control system is designed for the test bench. It is provided with a sensor that measures in real time the pressure inside the combustion chamber. The actuator is a motor-driven proportional valve, whose orifice area opening can be controlled by means of an Arduino board. A PID controller is chosen for this application and its algorithm is written in the Arduino Integrated Development Environment and saved on the micro-controller board. The PID parameters are tuned by approximating the process with a First Order Plus Dead Time model and following an IMC-based procedure for the determination of the controller coefficients. The resulting controller is an adaptive PID regulator which can act in three different modes, resulting in a more aggressive or more conservative action depending on the evaluated operating conditions. The experimental setup designed is validated by testing dual-oxidizer solid propellant samples, composed by an HTPB-based binder, AP and PSAN. The behavior of the control system is analyzed to find limitations and to give suggestions for further improvements. A non-intrusive procedure which makes use of a high-speed video camera for measuring the burning rate changes during depressurization is proposed.

Lo studio della combustione di propellenti solidi a bassa pressione è interessante perché potrebbe permettere di trovare un metodo affidabile e sicuro per aumentare la flessibilità di un sistema propulsivo a propellente solido. Il controllo dell’andamento della pressione all’interno della camera di combustione, infatti, consentirebbe di ottenere l’estinzione controllata e il successivo riaccendimento del propellente. Esistono in letteratura numerosi studi teorici e sperimentali che si concentrano sull’analisi della PDL e degli effetti sulla combustione di una rapida depressurizzazione. L’obiettivo di questo studio, però, è di fissare l’attenzione su ratei di depressurizzazione intermedi. Il presente lavoro di tesi ha come scopo lo sviluppo di un apparato sperimentale dedicato allo studio riguardante gli effetti di una depressurizzazione controllata sulla combustione di un propellente solido. Il banco di prova è fornito di un sistema di controllo in anello chiuso progettato appositamente. Questo, a sua volta, è provvisto di un sensore capace di misurare la pressione all’interno della camera di combustione durante la durata dei test, nonché di una valvola proporzionale motorizzata che svolge la funzione di attuatore. L’apertura dell’orifizio della valvola è controllata tramite una scheda Arduino. Il controllore scelto per questo tipo di applicazione è di tipo PID. L’algoritmo di controllo è scritto per mezzo dell’Arduino Integrated Development Environment e salvato sulla scheda del micro-controllore. I parametri del PID sono regolati approssimando il processo da controllare con un Modello del primo ordine con ritardo e seguendo una procedura basata sul metodo IMC per determinarne i coefficienti. Il controllore così progettato è un PID di tipo adattivo, capace di agire in tre modi che variano dal più aggressivo al più conservativo a seconda della grandezza dell’errore misurato. Per validare l’apparato sperimentale progettato si sono svolti alcuni test utilizzando provini di propellente solido a doppio ossidante, composti da HTPB, AP e PSAN. La risposta del sistema di controllo è analizzata per metterne in luce limitazioni e spunti per possibili sviluppi futuri. Infine è mostrata una procedura per misurare l’andamento della velocità di regressione durante la depressurizzazione.