Design of a hybrid rocket engine with thrust levels from 400 N to 1 kN

The present thesis work consists in the design of a modular hybrid rocket for combustion tests with thrust in the range 400 N - 1 kN. This allows testing the engine at different thrust levels by the implementation of different combustion chamber segments. In particular, a single chamber segment is designed to accommodate a central perforated HTPB grain and is capable of developing a thrust in the lower design range. Additional chambers containing grains of the same size can be easily mounted to modulate the intensity of the thrust. Particular attention has been paid to achieve a thrust of the order of about 1 kN. A water-cooled nozzle has also been implemented. In addition to allow longer and repeatable firings, the nozzle can be easily changed depending on the engine thrust level. A finite element analysis has been carried out to verify the integrity of the structure subjected to the loads present in the operating conditions. The work also includes the design of a gaseous oxygen injection line towards the combustion chamber. The line is characterized by a Venturi tube to measure the oxidizer mass flow rate. Finally, a pressure measurement system based on the application of pressure transducers located in the pre and post-combustion chambers has been designed.

Il presente lavoro di tesi consiste nel dimensionamento di un endoreattore a propellenti ibridi per l’esecuzione di prove di combustione con livelli di spinta nell’intervallo 400 N - 1 kN. Tale motore ha la peculiarità di essere composto da un segmento di camera di combustione collegabile ad altri segmenti uguali attraverso un sistema di flange e bulloni. Questo accorgimento permette di testare il motore a diversi livelli di spinta. In particolare, un singolo segmento di camera è progettato per ospitare un grano di HTPB perforato centralmente ed è in grado di sviluppare il livello di spinta minimo. Ulteriori camere ospitanti grani delle stesse dimensioni possono essere facilmente montate per modulare l’intensità della spinta. Particolare attenzione è stata posta nel raggiungimento di una spinta dell’ordine di circa 1 kN. È stato implementato inoltre un ugello raffreddato ad acqua. Oltre che permettere spari più lunghi e ripetibili, l’ugello può essere cambiato facilmente a seconda del livello di spinta del motore. È stata condotta un’analisi strutturale a elementi finiti per verificare l’integrità della struttura sottoposta ai carichi presenti nelle condizioni operative. Il lavoro prevede anche la progettazione di una linea di iniezione dell’ossigeno gassoso in camera di combustione. La linea è caratterizzata da un tubo di Venturi per misurare la portata di ossidante. Infine, è stato progettato un sistema di misurazione della pressione basato sull’applicazione di trasduttori di pressione collocati nella pre e post-camera di combustione.