An analysis of the methods for the enhancement of mechanical properties of paraffin-based fuels

Hybrid rocket propulsion shows several features over the more mature solid and liquid propellants. Yet, hybrid rockets engines find limited applications to operating systems. This is mainly due to the intrinsic slow regression rate ( r ̇_f ) of the solid fuel grain, and the low combustion efficiency of hybrid rocket engine. Recently, liquefying fuels as paraffin waxes, proves to overcome the regression rate limitation of hybrid rockets. These fuels provide fast regression rate thanks to the entrainment of melted fuel drops. The latter is the results of the destabilization of the liquid layer formed at the solid fuel grain surface during burning. A layer of low viscosity and low surface tension is made unstable by the oxidizer stream. Thus, melt fuel droplets detach from the surface. Mass transfer is therefore increased with respect to conventional fuels. The main issue of paraffine-wax fuel is the poor mechanical behavior. Paraffin waxes are fragile and brittle materials. Mechanical properties enhancement is requested for the utilization. This work provides a comprehensive review of the state of the art on paraffin-based fuel reinforcement. The latter is a crucial point for the full exploitation of hybrid rocket system.

I razzi a propulsione ibrida presentano diversi vantaggi rispetto ai razzi solidi o liquidi maggiormente utilizzati. Ciò nonostante, al momento sono poco utilizzati, principalmente a causa della loro bassa velocità di regressione ( r ̇_f ) e della loro bassa efficienza di combustione. Recentemente con l’introduzione di combustibili a base di paraffina è stato possibile migliorare la velocità di regressione. Questi tipi di propellente creano uno strato di combustibile liquido sopra la superfice del propellente solido. Il flusso di ossidante ad alta velocità stacca una parte di questo strato creando uno spray capace di incrementare il trasferimento di propellente. L’adozione dei propellenti a base di paraffina presenta è limitata dalle scarse proprietà meccaniche. Il materiale è fragile e il suo comportamento varia ampliamente all’aumentare della temperatura. Lo scopo di questa tesi è ricercare tra gli studi svolti sul tema e analizzare quali metodi possono migliorarne le proprietà meccaniche della paraffina.