Development of an optical technique for regression rate determination in a lab-scale hybrid rocket engine

Hybrid rocket engines are characterized by appealing features for future launch and in-space propulsion applications such as simplicity, reliability, reduced costs, higher safety and lower environmental impact with respect to traditional systems. However, one of their main limitation is that HRE performance are not evaluated by analytical models in a satisfactory way. In HRE systems, the solid fuel grain combustion is limited by the condensed phase vapor diffusion in the oxidizer stream. The phenomenon is mainly driven by convective heat transfer, with a strong dependence of the solid fuel regression rate (rf) on the total mass flux, sum of the oxidizer and of the fuel contributions. During the combustion of solid fuels with simple grain geometries, performance shift is caused by the changes in the convective heat transfer. These changes may include the insurgence of pressure dependence (for relatively low convective heat transfer contributions) due to the radiation heat transfer. Moreover, changes in the regression rate imply variations in the oxidizer to fuel ratio that, in turn, affects the specific impulse provided by the system. For these reasons diagnostics providing a time-revolved ballistics of HREs are highly desirable, though not widely available in the literature. In this work an automatic image processing technique is implemented in MATLAB®. It is an optical time-resolved and space-averaged diagnostic method for rf analysis and it is tested on a lab-scale radial HRE. The experimental set-up requires only an optically accessible combustion chamber and a high speed camera to record the fuel port enlargement in time. The regression rate trend in function of the total mass flux can be recovered as well as additional features such as the fuel central port anisotropy evolution in time. This optical time-resolved diagnostic technique reduces the number of tests needed to characterize a chosen oxidizer-fuel composition, saving time and costs. This technique is tested both on conventional fuels (HTPB) and paraffin-based formulations (blends with SEBS-MA at 7.5% and 10% in weight and armored grains of PLA and nylon). Paraffin-based formulation exhibits a convective combustion behaviour as predicted in literature. The rf enhancement thanks to droplets entrainment is evident by comparing paraffin and HTPB results. In addition, it is possible to conclude that armored grains can reinforce paraffin fuel grains without suppressing entrainment and instead enhancing the regression rate. This rf behaviour is in contrast with the traditionally used methods to improve the paraffin mechanical properties, i.e. paraffin-based blends with SEBS-MA. In addition, the results obtained with the implemented automatic image processing technique are compared with traditional time- and space-averaged methods based on the changes in burnt sample geometry and mass (Thickness Over Time and Mass Balance). Finally, resistor wire-cut sensors are tested to compare the optical time-resolved diagnostic technique.

I sistemi a propulsione ibrida (HRE) presentano caratteristiche che potrebbero renderli competitivi in futuro per la propulsione spaziale, come ad esempio la semplicità, l'affidabilità, i costi ridotti, una maggiore sicurezza e un minor impatto ambientale rispetto ai sistemi di propulsione tradizionali. Tuttavia, una delle loro maggiori limitazioni consiste nel fatto che le prestazioni dei HRE non sono attualmente prevedibili in maniera accurata con modelli analitici. La combustione dei combustibili solidi negli HRE è limitata dalla diffusione della fase condensata nel flusso di ossidante. Questo fenomeno è principalmente controllato dal trasferimento convettivo di energia termica, con una forte dipendenza del rateo di regressione rf dal flusso di massa totale (dato dalla somma del flusso di massa di ossidante e di combustibile). Durante la combustione, le prestazioni dei HRE variano a causa del trasferimento termico convettivo. Cambiamenti nel tasso di regressione implicano variazioni nel rapporto ossidante-combustibile, che di conseguenza influenza l'impulso specifico fornito dal sistema. Per questi motivi, è importante lo sviluppo di metodi di diagnostica in grado di fornire l'evoluzione nel tempo della balistica interna del motore. Con tale obiettivo, una tecnica di diagnostica ottica è sviluppata in questa tesi. Essa si basa su una routine automatizzata di image processing implementata in MATLAB®. Questa tecnica è un metodo di diagnostica risolto nel tempo e mediato nello spazio per determinare l'evoluzione del rateo di regressione ed è testata su un banco prova sperimentale composto da un HRE radiale. Tale tecnica richiede come setup sperimentale soltanto una camera di combustione otticamente accessibile e una videocamera ad alta risoluzione per registrare l'evoluzione del porto centrale del combustibile testato. Il tasso di regressione in funzione della portata massica totale può di conseguenza essere misurato, così come l'anisotropia del porto centrale durante la combustione. Questa tecnica ottica risolta nel tempo permette di ridurre il numero di test richiesti per la caratterizzazione della balistica interna di un HRE, riducendo tempi e costi. Tale metodo è testato sia con combustibili tradizionali (HTPB) che con combustibili a base di cere paraffiniche (miscele con SEBS-MA al 7.5% e al 10% e grani armati in PLA e nylon). Dai risultati ottenuti emerge che le cere paraffiniche presentano un elevato tasso di regressione se confrontate con combustibili tradizionali come HTPB, grazie al fenomeno dell'entrainment. In aggiunta, i grani armati non solo servono come rinforzo meccanico della paraffina ma contribuiscono anche all'incremento del rateo di regressione. Ciò non si verifica invece con le miscele di paraffina e SEBS-MA, che contrariamente tendono a sopprimere l'entrainment. I risultati risolti nel tempo ottenuti sono confrontati con i risultati mediati nello spazio e nel tempo misurati tramite le tecniche di diagnostica tradizionali (Thickness Over Time e Mass Balance). Infine, analisi temporali della balistica interna sono state fatte anche con l'utilizzo di sensori a rottura di fili.