Ballistics of liquefying fuel formulations : time-resolved techniques for regression rate determination

Since the beginning of extra-atmospheric flights, two main families of Rocket Engines have been developed, with quite different philosophies. They are Liquid and Solid Rocket Motors. Despite both generate thrust through the reaction between the fuel and the oxidiser, the first store both of the propellants in a liquid physical state, while in the second the reactants happen to be mixed in a solid phase, which has to be ignited. In modern space vehicles, these two technologies usually cover in a complementary way the whole launch from Earth to Space, exploiting their different peculiarities. However they present some drawbacks, which are the impossibility of being stopped once the firing is started and the highly poisonous products from the combustion as long as solid motors are concerned. In the liquid case, while usually toxicity in Space is not a problem as relevant as on Earth, a lot of moving parts are implemented, which enhance the failure possibility. Hybrid Rocket Motors solve these problems and are going to be the most promising technology in the near future. Two different kind of HRMs are possible, depending on the solid phase being the fuel (the most common case) or the oxidiser, while the other is stored as a liquid. Moving parts are therefore reduced to the minimum, toxicity can be limited and multiple firings can be executed. Being a relatively new technology, the major drawback is the lack of information in the literature, which means that a lot of experiments have to conducted to obtain a relevant number of data. Many experimental techniques have been developed to acquire the greatest number of data per firing. However, a lot of them resulted to be scarcely precise, or not enough valid from the resolution point of view. Indeed, time- and space- averaged techniques can not supply enough data to completely characterize each firing. On the other hand, different techniques, such as X-rays based methods, are very expensive and are almost impossible to be implemented on large to real scale motors without big adjustments. The optical technique, which is the object of this work, flips all these disadvantages: it is relatively cheap, non-intrusive and can be easily adapted to different scales and formulations. Exploiting the use of high-speed cameras, a large number of data can be acquired for each firing, implying a large resolution in time, which allows the definition of a time-resolved method. As a consequence, the characterization process of each firing and formulation is much more precise and can be conducted in a lower number of experiments. For the nature of the technique itself, an automatic procedure can follow the acquisition of the data. What has been done in this work is the development of a software capable of characterizing each firing by automatically analysing the acquired video file of each experiment, reconstructing the actual physics of the phenomenon and spreading light on what actually happens between ignition and shut-off. A number of different formulations have been tested to validate the method. Being all direct hybrids, in which the solid phase was the fuel in all the cases, they range from conventional HTPB fuels to paraffin-based formulations, with different chemical compositions.

Dal momento in cui nacquero i primi voli extra-atmosferici, due famiglie principali di Motori a Razzo furono sviluppate, con filosofia di progetto piuttosto diverse. Questi sono i Motori Liquidi e quelli Solidi. Nonostante entrambi generino la spinta grazie alla reazione tra combustible e ossidante, nel primo caso essi sono immagazzinati a bordo del veicolo in fase liquida, mentre nel secondo caso essi si trovano già miscelati all’interno della stessa fase solida, la quale deve essere poi accesa per avviare la reazione. Nei moderni veicoli spaziali, di solito, queste tecnologie sono complementari, tuttavia ciascuna presenta degli svantaggi non trascurabili. Nel caso dei motori solidi, una volta accesi essi non possono essere più spenti finch ́e il propellente stesso non si esaurisce, oltre all’alta tossicità dei prodotti di combustione. Nel caso dei liquidi, quando usati nello Spazio, quest’ultima è meno importante che sulla Terra; tuttavia è necessario notare che essi sono costituiti da numerose parti mobili, che innalzano considerevolmente la possibilità di guasti. Risolvendo brillantemente questi problemi, i Motori Ibridi sono la tecnologia più promettente per il prossimo futuro. In dipendenza dal reagente che costituisce la fase solida, sia questo il combustibile (ibridi diretti, più comuni) o l’ossidante (ibridi inversi, meno comuni), l’altro reagente è conservato in fase liquida. Le formulazioni impiegate limitano di conseguenza la tossicità delle reazioni, l’architettura stessa riduce al minimo le parti mobili impiegate oltre al permettere accensioni multiple del motore. Essendo la tecnologia ibrida relativamente recente, ben poche informazioni sono presenti in letteratura, perciò un numero relativamente grande di esperimenti deve essere condotto per poter raccogliere dati sufficineti da risultare significativi. Molte tecniche sperimentali sono state sviluppate; tuttavia gran parte si sono dimostrate poco precise o povere dal punto di vista della risoluzione temporale. Infatti, le tecniche mediate nel tempo e nello spazio non forniscono un numero sufficiente di dati per poter ben caratterizzare ogni sparo. D’altro canto, diversi metodi come quelli basati sui raggi X sono molto costosi ed è quasi impossibile implementarli su motori di grandi dimensioni. La tecnica ottica, su cui si basa questo lavoro, ribalta questi svantaggi: risulta relativamente economica, non intrusiva e può essere facilmente adattata a diverse dimensioni del motore stesso. Utilizzando telecamere ad alta velocità, un gran numero di dati può essere acquisito per ogni sparo, il che porta a un’alta risoluzione temporale e alla possibilità di definire un metodo risolto nel tempo. Il processo di caratterizzazione di ogni sparo e formulazione risulta più preciso e un numero inferiore di esperimenti può essere effettuato. Per natura della stessa tecnica, un metodo automatico può facilmente seguire l’acquisizione dei dati. Quello che è stato realizzato in questo lavoro è un software automatico in grado di caratterizzare ogni sparo analizzando il file video di ogni esperimento, ricostruendo effettivamente la fisica del fenomeno e mostrando quello che accade dal momento dell’accensione fino allo spegnimento. Differenti formulazioni sono state considerate, tutte in configurazione di ibridi diretti, a partire da combustibili a base di HTPB fino alle paraffine.