Ablative thermal protection systems assessment and performance comparison along a typical SSTO-SKYLON mission profile

The space market’s growth developed in the last decades, has pushed to look for new solutions in terms of materials applicable to space missions, in order to decrease the economic impact and technical challenges to be faced, granting an easier access to LEO orbits. The present thesis work aims at the evaluation of different possible solutions in terms of thermal protection system materials exploitable during a space mission to LEO orbit through a Single-Stage-To-Orbit (SSTO) vehicle, namely the SKYLON. The SKYLON peculiarity stands in the innovative concept of a SSTO making use of a Synergic Air Breathing Rocket Engine (SABRE) which can switch operativity mode from air-breathing (until Mach = 5 ) to rocket mode, to climb into orbit. During the air-breathing phase, part of the air flow is restrained into a vessel and cooled down to obtain liquid-Oxygen, which will be used as oxidizer during the rocket phase. The liquid-Hydrogen, pre-stored in internal tanks, works as fuel. Thanks to this revolutionary idea, an enlargement of space travels boundary appears to be feasible. A typical mission contemplates an ascension phase and a re-entry phase during which several aspects must be taken into account as gravity acceleration level, structural loads, thermal stresses. The former case has been approached through a 1D-stationary evaluation of the conditions experienced by the nozzle throat, exploiting the CEA code, thanks to literature and deduced data. Inconel X-750 and DC-90-104 have been selected as internal TPS and their regression rate has been compared. The latter phase (re-entry) surely represents the most critical area of interest since extremely high thermal environment developpes around the spacecraft. Different kind of materials (mainly ablative ones) used as thermal protection systems have been analyzed and a performance comparison has been done on the re-entry trajectory between the actual material used on SKYLON and the new generation Nano-Silica composite, in order to evaluate the possible benefits coming from one of them compared to the other. The study has been brough out through the use of computational programs since the mission profile needed to be clearly defined to deduce the hyperthermal environment raising around the body and to set the necessary parameters to establish the comparison. The results obtained show that nano-silica polymeric ablatives are characterized by a higher ablation efficiency and a 5% lower regression rate if compared to the actual material in use on Skylon, so a replacement of the material used can be suggested in order to gain a higher payload capacity, lighter structure and longer material working life. Moreover, the passage from old Inconel X nozzles to new DC-90-104 ones is auspicial thanks to its economic and technical benefits

La crescita del mercato spaziale sviluppatasi nelle ultime decadi, ha spinto la ricerca di nuove soluzioni in termini di materiali utilizzabili nel corso delle missioni spaziali, in modo tale da poter ridurre l’impatto economico e le difficoltà tecniche, garantendo un accesso semplificato alle orbite LEO. Il presente lavoro di tesi ha lo scopo di valutare le possibili diverse soluzioni in termini di materiali per sistemi di protezione termica da poter sfruttare per lo svolgimento di una missione spaziale in orbita LEO da raggiungere con un veicolo ad uno stadio (SSTO) , nello specifico lo SKYLON. La peculiarità dello SKYLON risiede nell’ innovativo concetto di un SSTO facente uso del Synergic Air Breathing Rocket Engine (SABRE), il quale è in grado di cambiare modalità operativa da air-breathing (fino a Mach = 5) a motore a razzo, per raggiungere l’orbita prescritta. Durante la prima fase, parte del flusso d’aria è indirizzato in un serbatoio e raffreddato in modo tale da ottenere ossigeno liquido, il quale viene utilizzato come ossidante durante la fase a razzo. L’idrogeno liquido, pre-allocato in serbatoi interni, è utilizzato come carburante. Grazie a questa rivoluzionaria idea, appare essere fattibile un allargamento dei limiti legati alle missioni nello spazio. Una tipica missione contempla una fase di ascesa ed una fase di rientro durante le quali molteplici aspetti necessitano di essere considerati quali ad esempio livello di accelerazione, carichi strutturali, stress termici. La prima fase è stata analizzata attraverso una valutazione monodimensionale delle condizioni generatesi in gola all’ugello, utilizzato il codice CEA e grazie a dati tratti da letteratura e/o dedotti. Inconel X-750 e DC-90-104 sono stati selezionati come materiali per la protezione termica interna e la loro velocità di regressione è stata comparata. La seconda fase (rientro) certamente rappresenta l’area d’interesse maggiormente critica in quanto attorno alla struttura risultano svilupparsi condizioni termiche estreme. Diversi tipi di materiali (principalmente ablativi) utilizzati come sistemi di protezione termica sono stati analizzati e considerando la traiettoria di discesa, è stato effettuato un paragone tra l’attuale materiale utilizzato sullo SKYLON e una nuova generazione di compositi con inserti di Nano-Silica. In tal modo è stato possibile valutare i possibili benefici derivanti dall’utilizzo di uno dei materiali sopracitati piuttosto che dall’altro. Lo studio è stato effettuato attraverso programmi computazioni poiché il profilo della missione doveva essere chiaramente definito per dedurre le corrette condizioni iper-termiche attorno al corpo e per definire i parametri necessari per il confronto. I risultati ottenuti mostrano come i compositi in nano-silica risultano caratterizzati da una più elevata efficienza di ablazione e una velocità di regressione minore del 5% rispetto all’attuale materiale in uso sullo SKYLON. La sostituzione di tale materiale risulta pertanto consigliata per ottenere una struttura più leggera e la possibilità di trasportare un payload maggiore. Infine, il passaggio da ugelli in Inconel-X-750 a quelli in DC-90-104 risulta auspicabile grazie ai suoi benefici economici e tecnici.