Toward high performance paraffin-based fuels : thermochemical performance, mechanical properties and ballistic characterization

Hybrid rocket engines offer attractive specific impulse performance combined with operating flexibility and relatively low recurring costs. Yet, these propulsion systems feature intrinsically slow regression rates when burning polymeric fuels. The combustion mechanism of liquefying fuels overcomes this limitation. Unfortunately, this enhanced regression rate is afforded with a dramatic detriment in the fuel mechanical properties: liquefying fuels as paraffin wax exhibit unsuitable mechanical properties for rocket applications, with a frail and brittle behavior. A general strategy for the creation of liquefying fuels with suitable characteristics from both the mechanical and ballistic point of view is the use of reinforcing polymers. Paraffin-polymer blends provides increased mechanical properties, though the regression rate of these compounds is slower than the one of pure wax, and it is similar to the one of polymeric formulations. Energetic additives may be considered for a regression rate tailoring, though this strategy has criticalities. This work provides a detailed investigation of paraffin-reinforcing polymer blends. Paraffins with different characteristics are used together to mitigate the effects of the blend with the polymer. Relatively high polymers mass fractions (10, 20 wt.%) are considered in the analysis. Investigated fuels are characterized in terms of rheological properties (viscosity, viscoelastic behavior) and mechanical properties (compression and tensile tests). Burning tests on a lab-scale hybrid rocket engine provide a relative ballistic grading of the formulations. A fuel in which a commercial micro-crystalline wax (SW) is blended with a styrenic polymer (polystyrene-block-poly(ethylene-ran-butylene)-block-polystyrene-graft-maleic anhydride, SEBS-MA), SW + 20 wt.% SEBS-MA, is taken as baseline for the relative grading of both mechanical and ballistic properties. Experimental results show how mixing SW with properly selected paraffins can enhance the mechanical and the ballistic properties of blends with SEBS-MA. While the use of micron-sized aluminum has minor effects on the regression rate, the use of aluminum hydride produces significant increases: in a pure paraffin binder, SW + 5 wt.% AlH3 yields a regression rate increase over the non metallized counterpart of 21%, with an enhancement over the baseline of 186%. The achieved results show how reinforcing polymer effects on fuel regression rate and mechanical properties can be mitigated by paraffin blending and how hydrides may play a role in combustion behavior enhancement of wax-based fuels.

I motori a propellenti ibridi offrono interessanti prestazioni in termini di impulso specifico, insieme a flessibilità operativa e costi relativamente bassi. Tuttavia, questi sistemi di propulsione sono caratterizzati da ratei di regressione intrinsecamente bassi per combustibili convenzionali a base polimerica. Questa limitazione è superata da una classe particolare di combustibili che, a seguito di un'instabilizzazione fluidodinamica dello strato di materiale fuso formatosi durante la combustione, forniscono ratei di regressione 3-4 volte superiori a quelle dei combustibili convenzionali. Sfortunatamente l'aumento del rateo di regressione è ottenuto al prezzo di un drastico peggioramento delle proprietà meccaniche: combustibili di questo tipo come le cere paraffiniche mostrano proprietà meccanica inadatte per l'applicazione in sistemi propulsivi (in particolare) di grandi dimensioni, essendo fragili e rigide. Una strategia comune per ottenere dei combustibili con proprietà meccaniche e balistiche adatte è l'utilizzo di rinforzi polimerici. Le miscele composte da cere e rinforzi polimerici forniscono aumentate proprietà meccaniche, sebbene la velocità di regressione di questi composti sia più lenta di quella della sola cera e più simile a quella delle formulazioni polimeriche. Gli additivi energetici possono essere considerati per un miglioramento dei ratei di regressione, sebbene questa strategia comporti delle criticità. Questo lavoro fornisce un'analisi dettagliata di combustibili a base paraffinica basati su blend con polimeri di rinforzo. Paraffine con caratteristiche diverse sono utilizzate congiuntamente per mitigare gli effetti causati dall'aggiunta di polimeri. Nell'analisi vengono considerate frazioni massiche relativamente alte di polimero (10, 20 wt.%). I combustibili studiati sono caratterizzati in termini di proprietà reologiche (viscosità, comportamento viscoelastico) e proprietà meccaniche (prove di compressione e trazione). Test di combustione fatti su un endoreattore ibrido in scala di laboratorio forniscono una classificazione balistica relativa delle formulazioni. Un combustibile in cui una cera micro-cristallina commerciale (SW) viene miscelata con un polimero stirenico (polistirene-block-poly (etilene-ran-butilene) -block-polistirene-graft-maleic anhydride, SEBS-MA), SW + 20 wt.% SEBS-MA, è preso come riferimento per la classificazione relativa delle proprietà meccaniche e balistiche delle formulazioni indagate. I risultati sperimentali mostrano come la miscelazione di SW con paraffine opportunamente selezionate possa migliorare le proprietà meccaniche e balistiche delle miscele con SEBS-MA. L'uso di alluminio di dimensioni micron ha effetti minori sul rateo di regressione, mentre l'uso di idruro di alluminio produce aumenti significativi: in una miscela a base di paraffina pura contenente il 5% di additivo, AlH3 produce un aumento del rateo di regressione rispetto alla controparte non metallizzata del 21%, con un miglioramento rispetto alla baseline dell'186%. I risultati ottenuti mostrano come gli effetti dei polimeri sul rateo di regressione del combustibile e le proprietà meccaniche possano essere mitigati da miscele contenenti diverse paraffine e come gli idruri possano svolgere un ruolo nel miglioramento dei ratei di regressione dei combustibili a base di cera.