Paraffin-based fuels with thermoplastic polymer reinforcement : pre-burning characterization and regression rate analysis

HREs feature interesting characteristics in term of high operating flexibility, costs and environmental impact reduction. Nevertheless, HREs are not employed in operating systems and in particular in launch applications due to the intrinsic low regression rate of the conventional (polymeric) fuels. This limitation is potentially overcome exploiting liquefying fuels such as paraffin waxes. Thanks to a peculiar combustion mechanism, liquefying fuels promise enhanced ballistic performance over the conventional fuels. This augmented regression rate is achieved thanks to the entrainment of melted fuel droplets. However, liquefying fuels, and paraffin waxes in particular, show poor mechanical properties with brittle and fragile behavior that makes the solid grain unsuitable to withstand loads during launch phase. In this work, the reinforcement of paraffin-based fuels using polymers is investigated. Two types of thermoplastic elastomers were blended with both a macro-crystalline and a micro-crystalline wax in different concentrations. The various fuel formulations were characterized with pre-burning and ballistic tests. Rheological analyses were performed in a plate-plate rheometer to evaluate fuels viscosities. Thermal characterization of materials was provided by differential scanning calorimetry and thermogravimetric analyses performed in Ar. The mechanical properties of the solid fuels were investigated by compression tests according to the ISO 604 standard. Ballistics tests were conducted in lab-scale hybrid rocket engine. Fuels regression rate was analyzed with classical thickness over time technique and with an innovative time-resolved analysis of high speed video recordings. Experimental results show the relationship between the melt fuel viscosity and the fuel regression rate. The ballistic analysis together with the mechanical behavior investigations provides useful guidelines for the development of a fuel formulation with a suitable set of properties for application in operating systems.

I motori a propellenti ibridi presentano caratteristiche interessanti in termini di flessibilità operazionale, costi e riduzione dell'impatto ambientale. Tuttavia, motori a propellenti ibridi non sono impiegati in sistemi attualmente operativi ed in particolare in sistemi di lancio a causa dell'intrinseco basso rateo di regressione dei convenzionali combustibili (a base polimerica). Questa limitazione viene potenzialmente contrastata tramite l'utilizzo di combustibili basso fondenti come le cere paraffiniche. Grazie ad un particolare meccanismo di combustione, questi combustibili consentono performance balistiche migliori rispetto ai combustibili convenzionali. Questo incremento del rateo di regressione è ottenuto tramite il trascinamento di goccioline di combustibile fuso. Tuttavia, i combustibili basso fondenti ed in particolare le cere paraffiniche mostrano scarse proprietà meccaniche a causa della loro natura fragile la quale le rende non adatte a sostenere i carichi sperimentati durante la fase di lancio. In questo lavoro, viene studiato il rinforzo di combustibili a base di cera paraffinica tramite l'utilizzo di polimeri. Due tipi di elastomeri termoplastici sono stati miscelati in diverse concentrazioni con una cera paraffinica macrocristallina e una microcristallina. Le varie formulazioni sono state caratterizzate tramite prove di pre-combustione e test balistici. Le analisi reologiche sono state svolte tramite un reometro piatto-piatto per valutare la viscosità del propellente. La caratterizzazione termica dei materiali è stata eseguita tramite calorimetria differenziale e analisi termogravimetriche svolte in atmosfera inerte. Le proprietà meccaniche dei combustibili solidi sono state indagate tramite prove di compressione in accordo con lo standard ISO 604. Le prove balistiche sono state eseguite su un motore a propellente ibrido in scala da laboratorio. Il rateo di regressione del combustibile è stato analizzato tramite la classica tecnica spessore su tempo (thickness over time, TOT) e tramite un'innovativa analisi tempo-risolto di registrazioni video ad alta velocità. I risultati sperimentali mostrano una relazione tra la viscosità del combustibile fuso e il rateo di regressione del combustibile. L'analisi balistica insieme allo studio delle proprietà meccaniche forniscono utili linee guida per lo sviluppo di una formulazione combustibile con una serie di proprietà adatte per l'applicazione in sistemi attualmente operativi.