Injection elements for liquid rocket propulsion : from design to experimental characterization

In order to respond to the growing demand of functional flexibility, convenience, and cost-effectiveness requested by launching of small but highly performing satellites, the development of new medium-thrust space launchers tends to go towards solutions with a reduced environmental impact. In this scenario, the possibility offered by the implementation of new bi-propellant liquid rocket engines, featuring green-alternatives in terms of fuel and oxidizer, represents one of the best options. The present work is part of a larger program, which deals with the design of a new motor, built for the final stage of a small satellite launcher, that meets the aforementioned requirements. This thesis has the intent to investigate all the possible types of injection systems suitable for two propellant couple alternatives, from liquid to gas/liquid injectors. Triplet and pentad elements are considered. Their modelling is the result of an optimization process regarding the two most important aspects concerning injection devices: mixing and atomization. Several preliminary injection plates have been designed. Furthermore, a parallel study on an innovative engine ignition device has required the development of a particular injection system. Finally, an interesting research based on the geometrical tolerances of triplet and pentad orifices diameters is performed: the dimensional imperfections have a greater weight on the performances of this last injector. For this reason, a triplet element solution has been chosen to start the experimental cold-test campaign. Mixing and atomization performance indices have been measured. Both agree with the expected theoretical results. The design procedure for triplet elements is thus empirically validated, with the possibility to apply this method to an endless number of propulsion applications, with different thrust levels or liquid propellants.

Per sostenere la crescente domanda di messa in orbita di satelliti piccoli ma molto performanti, lo sviluppo di nuovi lanciatori di medie dimensioni che presentino flessibilità, praticità ed economicità operative ha incontrato la necessità di garantire il minor impatto ambientale possibile. In questo scenario, la possibilità offerta dall'implementazione di nuovi motori a razzo a propellente liquido, che sfruttino i cosiddetti combustibili verdi, rappresenta una delle migliori soluzioni. Questa tesi è parte di un ampio programma, che prevede la progettazione di un motore ex-novo per lo stadio finale di un vettore spaziale di piccole dimensioni, che soddisfi i suddetti requisiti. In particolare, l’intento principale di questo studio è quello di analizzare tutti i possibili sistemi di iniezione per due alternative coppie di propellenti, sia in fase puramente liquida che combinata gas/liquida. Triplet e pentad sano gli iniettori considerati per questo progetto. La loro modellazione è il risultato di un processo di ottimizzazione riguardante i due aspetti più importanti dei sistemi di iniezione: la miscelazione e l‘atomizzazione dei propellenti. Diverse configurazioni di piastra di iniezione sono proposte. Uno studio parallelo su un innovativo sistema di accensione del motore ha poi richiesto lo sviluppo di un sistema di iniezione dedicato. Infine, viene eseguita un'interessante ricerca riguardo le tolleranze geometriche relative ai diametri degli orifizi delle due tipologie di iniettori considerati: i difetti costruttivi hanno un peso maggiore sulle prestazioni dei pentad. Soprattutto per questa ragione, almeno nelle sue fasi preliminari, il triplet è stato scelto per la campagna sperimentale di prove a freddo. Le prestazioni di miscelazione e atomizzazione dei propellenti osservate concordano con i risultati teorici previsti. L’intero modello teorico viene così convalidato, con la possibilità di vederlo implementato ad una serie potenzialmente infinita di applicazioni propulsive.