Improving lab-scale windowed rocket motor : structural verification and protective gaseous film cooling design

In solid propellants, metal powders are used to enhance the global performance of the motor. However, the two-phase flow interactions between gas flow and metal particles produce some disadvantages such as nozzle erosion, formation of condensed combustion products (CCP) and slags accumulation. The erosion mechanism results in a deformation of the throat region, that leads to a decrease of the thrust due to lower exhaust gas velocity and Mach number. The knowledge of metal particle size and distribution generated by aluminum reaction, is a matter of interest to have a better understanding of the phenomena taking place in the two-phase flow and to quantify the loss of performance of the motor itself. Many experimental activities have been performed in this regard for the CCP size analysis although restricted to the initial condition of the evolution of the particles. This work represents the continuation of a previous one that aims at developing improved diagnostics to follow and observe the particles inside the core flow and in particular in the nozzle region, thus obtaining the whole process lifetime, through a high-speed camera inside a lab-scale 2-dimensions windowed rocket motor. In order to improve the observability of the phenomena and overcome some problems highlighted in a previous experimental campaign, the experimental setup has been improved through the redesign of the motor to include a film cooling system that, using gaseous nitrogen at a temperature of 285K, creates a thin boundary layer between the window and the hot gas flow. Furthermore, the effects of the added gas on the combustion chamber and the feasibility of the design are discussed.

Nei propellenti solidi le polveri metalliche vengono utilizzate per aumentare le prestazioni complessive del motore. Tuttavia le interazioni tra il gas e le particelle metalliche nel flusso bifase comportano degli svantaggi quali fenomeni di erosione dell'ugello, formazione di prodotti di combustione e accumulo di residui. Il processo di erosione dell'ugello comporta una deformazione della regione di gola, che porta ad una perdita di spinta dovuta ad una minore velocità e ad un minore Mach del gas in uscita. Conoscere dimensioni e distribuzione delle particelle metalliche è argomento di interesse per avere una migliore comprensione del fenomeno, e per ridurre le perdite di performance nel motore. A tal riguardo, diverse attività sperimentali son state fatte per determinare le dimensioni dei CCP, benchè limitate alle condizioni iniziali della fase di evoluzione delle particelle. Questo lavoro rappresenta la continuazione di un lavoro precedente che si prefissa di osservare le particelle all'interno del flusso e in particolare nella regione dell'ugello, col fine di catturare tutta la vita del processo all'interno di un motore da laboratorio bidimensionale, tramite l'utilizzo di una camera ad alta velocità. Per migliorare l'osservabilità del fenomeno e superare problematiche emerse precedentemente, il setup sperimentale esistente è stato migliorato tramite riprogettazione del motore in modo da includere un sistema di film cooling che, tramite l'introduzione di azoto gassoso alla temperatura di 285K, generi un sottile strato limite tra il vetro e il flusso di gas caldo. Inoltre vengono discussi gli effetti dell'aggiunta di tale gas sulla camera di combustione e la fattibilità del progetto.