Injection element for liquid rocket propulsion : spray characterization by optical imaging

Reducing the impact of human activities on the environment is currently one of the most fundamental challenges across most of the industrial sectors. In the space field, this has led to the urge of replacing the highly toxic propellant combinations currently employed to power the upper stages of space launchers with more environmentally friendly solutions. Drawing from this consideration, the space propulsion laboratory of Politecnico di Milano has launched a new research project aimed at the development of a rocket engine employing a low cost, stable and non-toxic propellant combination. In this framework, the propellant injection system represents one of the most critical components to be designed. The impact of the propellant atomization quality on combustion efficiency, and thus on overall performance of the engine, makes the study of the injection elements behaviour of paramount importance. Therefore, the present work aims at developing an experimental procedure for observing and characterizing the atomization performance of the injector element selected for the engine. From the hardware point of view, this required the design and production of the injector with the related feed line, and of appropriate experimental technique for spray visualization. A direct imaging optical technique, employing a high-speed camera and a white LED as light source, has been employed for the purpose. Two digital image analysis procedures were developed, performing respectively particle sizing and tracking velocimetry on the frames gathered during the experimental tests. This allowed to study the spray morphology, determine the number and volume size frequency distributions and the representative diameters, including the Sauter Mean Diameter (SMD), and evaluate the droplets velocity. Finally, the resulting mass median drop diameter is compared with the value predicted by numerical models to assess their reliability for future applications.

Ad oggi, una delle principali sfide da affrontare in tutti i settori dell’industria moderna è quello di ridurre l’impatto delle attività umane sull’ambiente. In ambito spaziale ciò ha fatto sorgere la necessità di rimpiazzare le formulazioni, altamente tossiche, di propellenti correntemente utilizzati negli stadi superiori dei lanciatori orbitali, con soluzioni più ecologiche. In virtù di questa necessità, il laboratorio di propulsione spaziale del Politecnico di Milano ha avviato un progetto di ricerca con l’obbiettivo di sviluppare un motore a propellente liquido basato su una coppia ossidante-combustibile economica, immagazzinabile a temperatura ambiente e non tossica. In questo contesto, il sistema di iniezione del propellente rappresenta uno dei componenti più critici da progettare. L’impatto della qualità dell’atomizzazione sull’efficienza di combustione, e dunque sulla performance complessiva del propulsore rende di primaria importanza lo studio delle proprietà degli elementi di iniezione. Pertanto, Il presente lavoro consiste nello sviluppo dell’apparato sperimentale e delle procedure di elaborazione computerizzate necessarie all’osservazione e alla caratterizzazione della performance dell’iniettore selezionato per il motore. Ciò ha richiesto, dal punto di vista del set-up sperimentale, il progetto e la produzione sia dell’iniettore, con la relativa linea di alimentazione, sia della strumentazione per l’osservazione dello spray. La tecnica selezionata, basata sulla visualizzazione diretta dello spray, impiega una videocamera ad alta velocità e un LED bianco come sorgente luminosa. Due procedure computerizzate per l’analisi delle immagini in digitale sono state sviluppate per valutare, rispettivamente, la dimensione e della velocità delle gocce analizzando i fotogrammi raccolti durante le prove sperimentali. Ciò ha permesso di studiare la morfologia dello spray, determinare la distribuzione delle gocce sia rispetto al numero che al volume e i diametri medi, tra cui il Sauter mean diameter (SMD), e valutarne la velocità. Infine, il valore del diametro di massa media è stato paragonato a quello ottenuto per via numerica al fine di valutare l’affidabilità del modello.