Design optimization of conventional and VFP hybrid rocket engines

This thesis work concerns the design of an internal ballistic mathematical model and its optimization for a Vortex Flow Pancake hybrid rocket engine. This engine falls into the category of unconventional hybrids, and consists of two solid fuel discs separated by an injection ring. The tangential injection of oxidizer favors the onset of a vortex that enhances the mixing between fuel and oxidizer, allowing a significant increase of the combustion effciency. The unique geometrical feature of this engine is its length/diameter ratio lower than one, hence the name "Pancake". The work is divided into two parts: the design of the model and its optimization. Firstly, a code has been implemented to estimate and predict the trend of regression rate, combustion chamber pressure and thrust in a conventional hybrid rocket engine. Then this code has been modified to be used on a Vortex Flow Pancake. For this purpose MATLAB®software was used. During this first part it was necessary to use the NASA®Chemical Equilibrium with Application software to evaluate the characteristic velocity. Subsequently both internal ballistics models were optimized by means of Genetic Algorithms, performing both a single- and a multi-objective optimization process. Also in this phase it was necessary to use the MATLAB®software, using in particular the add-on "Optimization".

Il presente lavoro di tesi riguarda la scrittura di un modello matematico di balistica interna e l'ottimizzazione dello stesso, per un motore a propellente ibrido Vortex Flow Pancake. Tale motore rientra nella categoria degli ibridi non convenzionali, ed è costituito da due dischi di combustibile solidi separati da un anello di iniettori. L'iniezione tangenziale di ossidante favorisce l'insorgenza di un vortice che, favorendo il miscelamento tra combustibile e ossidante, permette di incrementare notevolmente l'effcienza di combustione. La caratteristica unica di questo motore è data dal rapporto lunghezza/diametro inferiore ad uno, da cui la denominazione "Pancake". Il lavoro si divide in due parti: la scrittura del modello e la sua ottimizzazione. In primo luogo è stato implementato un codice atto a stimare e prevedere l'andamento della velocità regressione, della pressione della camera di combustione e della spinta in un motore a propellente ibrido convenzionale. Successivamente tale codice è stato opportunamente modificato per essere utilizzato sui Vortex Flow Pancake. A tale scopo il software MATLAB®è stato utilizzato. Durante questa prima parte è stato necessario impiegare il software NASA®Chemical Equilibrium with Application per il calcolo della velocità caratteristica della combustione. Successivamente entrambi i modelli di balistica interna sono stati ottimizzati per mezzo degli algoritmi genetici, effettuando sia un processo di ottimizzazione classico che multi-obiettivo. Anche in questa fase è stato necessario impiegare il software MATLAB ®, utilizzando in particolare l'add-on "Optimization".