Mechanical and ballistic characterization of paraffin-based fuel grains produced by spin-casting

This thesis focuses on the development of spin casting methods for the production of paraffin-based fuel grains. The produced samples are analysed in a pre-burning phase and by combustion behaviour investigation. Two fuel formulations were tested, both of them were based on a micro-crystalline paraffin wax. The first fuel composition is based on paraffin (99 wt%) and contains carbon powder (1 wt%) as grain opacifier. The second formulation is a blend of the paraffin wax (79 wt%) with a styrenic thermoplastic polymer (20 wt%) and, as the first one, includes carbon as a grain opacifier (1 wt%). The styrenic polymer is selected as a suitable reinforcing agent. Exotic fuel grain configurations (with embedded reinforcing structures and variable composition along the radial direction) have been produced as well. Experimental work started with designing and building the spin casting setups. The first built setup allows the casting of fuel grains (11 cm length and 5 cm diameter) with a fixed rotational speed. On the produced grains ballistic and mechanical tests have been performed using the uni-axial compression test machine and the SPLab lab-scale radial burner. A scale up of the spinner has been eventually designed and built in order to cast medium size paraffin-based fuel grains (20 cm length and 13 cm diameter) with the possibility to vary the radial velocity. Working at the smaller scale enabled the identification of critical operating steps to achieve high quality grains. In particular, in the casting, multiple layers were created whose adhesion must be granted by a proper timing of the melted material pouring. The results of mechanical and ballistic tests on spin-cast fuel grains were similar to the die cast fuel grains results. The application of spin casting to blended formulations yielded no significant differences in the production quality with respect to the pure paraffin case. In mechanical tests the cast grains showed a perfect axial-symmetry and the complete absence of voids and cracks. Eventually a Simscape simulation has been run to study the cooling velocity inside the mold during spin casting. Achieved results testify the suitability of the spin-casting method when working at small as well as intermediate scale. Thanks to the use of a thermal model for the paraffin cooling, the formation of cracks was avoided preventing excessive thermal stresses. The ballistic response of the spin-cast formulations showed no significant differences with respect to the die-cast case. In particular, under the averaged oxygen mass flux of 46.9 ± 3.67 kg/m2s the regression rate, computed using the thickness over time method (TOT), of the pure paraffin formulation tested in a lab-scale burner was 1.61 ± 0.103 mm/s. The styrenic-polymer reinforced blend provided a regression rate of 0.64 mm/s under a similar operating condition.

Questa tesi si concentra sullo sviluppo dei metodi di spin casting per la produzione di grani di combustibile a base di paraffina per l'applicazione in endoreattori ibridi. I campioni prodotti vengono analizzati meccanicamente e in fase di combustione. Sono state testate due diverse formulazioni del combustibile entrambe a base di paraffina microcristallina. Il primo combustibile è a base di paraffina (99 wt%) e contiene polvere di grafite (1 wt%) come opacizzante del grano. La seconda formulazione è una miscela di paraffina (79 wt%) con un polimero termoplastico stirenico (20 wt%), selezionato come il corretto agente rinforzante e, come nella prima, contiene grafite come opacizzante (1 wt%). Sono state prodotte anche configurazioni del grano esotiche (con all'interno una struttura di rinforzo e con una composizione che varia lungo il raggio). Il lavoro sperimentale è iniziato con la progettazione e la costruzione dei setup. Il primo setup costruito permette la produzione di grani (11 cm di lunghezza e 5 cm di diametro) sfruttando una velocità di rotazione fissa. Le caratteristiche meccaniche e balistiche dei grani prodotti, sono state testate mediante prove meccaniche a compressione e prove a fuoco eseguite sul motore in scala di laboratorio disponibile all'SPLab. Infine, è stato progettato e costruito uno scale-up dello spinner per produrre grani (20 cm di lunghezza e 13 cm di diametro) con la possibilità di variare la velocità. Lavorando sulla piccola scala, è stato possibile identificare le operazioni critiche necessarie a produrre grani di alta qualità. In particolare, nella fase di casting vengono colati diversi strati la cui adesione va garantita attraverso la scelta di un tempo corretto tra le iniezioni di materiale. I risultati delle prove meccaniche e balistiche sui grani prodotti per spin casting hanno dato risultati simili ai grani prodotti per die casting. L'applicazione dello spin casting a formulazioni con additivi non ha mostrato differenze significanti nella qualità di produzione rispetto alle formulazioni di paraffina pura. Nei test meccanici i grani hanno mostrato una perfetta assial-simmetria e l'assenza completa di vuoti e crepe. Infine è stata studiata la velocità di raffreddamento della paraffina all'interno dello stampo attraverso una simulazione Simscape. I risultati raggiunti dimostrano come lo spin casting sia ottimale quando si lavora su piccola e media scala. Grazie all'utilizzo di un modello termico del raffreddamento della paraffina, è stato possibile evitare la formazione di crepe e vuoti, prevenendo eccessivi stress termici. La risposta balistica dei grani prodotti per spin casting non ha mostrato differenze significative rispetto ai grani prodotti per die casting. In particolare sotto un flusso medio di ossidante di 46.9.± 3.67 kg/m2s la velocità di regressione del grano, calcolata secondo la tecnica spessore su tempo (TOT), per le formulazioni di paraffina pura testate era di 1.61.± 0.103 mm/s. La formulazione rinforzata con il polimero stirenico ha dato, con condizioni operative simili, una velocità di regressione pari a 0.64 mm/s.