Design of a miniaturised reverse vortex cool-wall combustion chamber for micro-satellites applications

The development of pioneering exploration enabling technologies to foster space navigation and solar system exploration represents an actual market demand. Interplanetary micro-satellites constellation or formation flying constitute the future of solar system exploration, offering versatility in operations and breakthrough new mission scenarios at fractions of large satellites cost. Primary propulsive systems development is key to promote this transition, enabling high thrust manoeuvres and navigation autonomy. The exploitation of green bi-propellant liquid engines technologies as primary competitor of mono-propellant engines is then promoted in a perspective of know-how development and European propulsive leadership and competitiveness enhancement, in compliance with Horizon Europe programme. On this regard, Chemical bi-propellant miniaturisation constitutes an unsolved technological barrier, and major concerning are given by chamber thermal gradient management, propellant atomization and combustion ignition mechanism. Devised from those shortcomings, this research focuses on an innovative combustion chamber design. The Reverse Vortex technology, proposed by Knuth, Chiaverini and Majdalani, constitutes the most suited combustion chamber configuration to be miniaturised, exploiting a double vortex flow evolution that acts as chamber wall cooling mechanism. The design of a miniaturised Reverse Vortex Cool-Wall Combustion Chamber is proposed, where hemispherical head, propellant liquid injection and an exotic ignition mechanism located inside the combustion chamber make up the main outcomes. The design of an exotic ignition system is instrumental to the chamber miniaturisation. It exploits the double vortex flow evolution inside the combustion chamber to promote heat exchange between chamber sidewalls and the propellant in the outer vortex. The injectors configuration definition constitutes the core process of the chamber design, driving fuel atomization, mixing and cooling capabilities. Starting from the development of a simplified multi-phase physical model based on the double-vortex flow evolution dynamics, a numerical method has been proposed to characterise different fuel injections strategies to trade-off among them. The simulations confirm exceptional fuel atomization and head cooling capabilities, opening to future experimental validation and numerical model improvements.

Lo sviluppo di tecnologie innovative per promuovere l'esplorazione spaziale e del sistema solare costituisce un'attuale necessità di mercato. Micro-satelliti interplanetari disposti in costellazioni o volo in formazione rappresentano il futuro dell’esplorazione del sistema solare per la loro versatilità e i potenziali nuovi scenari di utilizzo che offrono a costo molto contenuto. Lo sviluppo di sistemi propulsivi primari è chiave per favorire questa transizione, consentendo autonomia di navigazione e manovre ad alta spinta. In un’ottica di sviluppo tecnico e leadership e competitività Europea, in accordo con il programma di sviluppo Europe Horizon, lo sviluppo di tecnologie per motori a bi-propellente chimico green è promosso per competere con motori a monopropellente. Lo sviluppo di motori a bi-propellente miniaturizzati presenta rilevanti problemi tecnici non ancora risolti, dove le maggiori difficoltà sono date dalla gestione di enormi gradienti di temperatura, dalla corretta atomizzazione del propellente e dalla miniaturizzazione del meccanismo di avviamento della combustione. Partendo da queste problematiche, questa ricerca si concentra sullo sviluppo di una camera di combustione innovativa. La camera di combustione a vortice inverso, proposta da Knuth, Chiaverini e Majdalani, costituisce la miglior configurazione da essere miniaturizzata utilizzando l’evoluzione fluidodinamica del flusso in due vortici concentrici per raffreddare le pareti. È quindi proposto il progetto di una camera a combustione a vortice inverso miniaturizzata, dove i principali risultati derivano dallo sviluppo di una camera di combustione a testa semisferica, da un’iniezione di propellente in stato liquido e dallo sviluppo di un sistema di accensione esotico costituiscono i principali risultati. Lo sviluppo di un sistema di accensione esotico è fondamentale per ottenere la miniaturizzazione della camera di combustione. Il vortice a doppia evoluzione che si sviluppa dentro la camera di combustione viene sfruttato per favorire uno scambio di calore tra le pareti della camera di combustione e il vortice esterno. La definizione della configurazione di iniezione costituisce il punto chiave nella progettazione della camera di combustione, fondamentale per promuovere l’atomizzazione del combustibile, il rimescolamento del propellente e le capacità di raffreddamento della testa della camera di combustione. Partendo da un modello fisico semplificato di fluido multifase, basato sull’evoluzione fluidodinamica in doppio vortice, un modello numerico è stato sviluppato per caratterizzare le differenti configurazione di iniezione e valutarle una rispetto all’altra. Le simulazioni confermano una capacità di atomizzazione e raffreddamento della testa della camera di combustione eccezionali che apre la porta a validazioni sperimentali e miglioramenti del modello numerico proposto.