Diagnostic techniques for the evaluation of defects and regression rate of paraffin-based fuels for hybrid rocket engines

Ultrasound diagnostics are Non-Destructive Evaluation techniques (NDE) that can be exploited for the (classical) material structural integrity evaluation (i.e., presence of cracks and defects in mechanical parts, components, propellant/fuel grains), but may be also used for specific applications as burning/regression rate measurement in solid propellants and fuels. Paraffin waxes are thermoplastic fuels of high interest in hybrid rocket propulsion thanks to their fast regression rate (rf ) overcoming the intrinsic limitations of the slow regressing conventional polymeric fuels (e.g., hydroxyl-terminated polybutadiene - HTPB). Yet, paraffin waxes exhibits poor mechanical properties and significant manufacturing issues related to the shrinkage during cooling of the melted material. The poor mechanical properties are mitigated by the blending with reinforcing polymers, while thermal stresses induced by the shrinkage require specific manufacturing procedures. In this work Ultrasounds (US) are used as diagnostics for the evaluation of the structural integrity (i.e. layer separations, cracks and other defects) of lab-scale solid paraffin-based fuel grains and their regression rate. The evaluation has been carried out for both conventional grains (cylindrical shape, single central port perforation) and solid fuel disks of an hybrid rocket engine with non-conventional configuration, the SPLab vortex flow pancake (SVFP). Conventional grains were produced and tested at two different scales (external diameters of 30 and 125 mm). For the SVFP grains the regression rate was determined by pre- and post-firing analysis of the same. Investigated fuel formulations are based on a commercial microcrystalline wax blended with a reinforcing polymer (SEBS-MA). Reinforcing polymer mass fraction in the blends spanned from 5% (SEBS-05) to 20% (SEBS- 20). The propagation velocity of US waves inside the test samples was estimated to be 2131 m/s for SEBS-05, 2098 m/s for SEBS-10 and 2017 m/s for SEBS-20. Layer separation errors for small spin casting grains and thickness measurements for large ones, were estimated by US with maximum error of 1.32 % and -0.19 % respectively, taking as reference the direct measurement by caliber. A foreign object inclusion test have been performed successfully on the Case study test piece. Finally, the estimation of the regression rate of VFP disks was compared with the standard evaluating procedure. Results showed errors in the order of -8.5 +- 5.34 % to -9.5 +- 1.54 % among all the tested formulations, while regression laws displayed similar curve trends, yet underestimate the predicted regression rate values.

La diagnostica ad ultrasuoni è un tipo di NDE che puo essere sfruttato per la valutazione (classica) dell’integrità strutturale (presenza di cricche e difetti di parti meccaniche, componenti, grani propellenti), ma anche utilizzata per applicazioni più specifiche, come la misurazione del rateo di regressione nel propellenti solidi e altri combustibili. Le cere paraffiniche sono combustibili termoplastici di grande interesse nell’ambito della propulsione ibrida grazie al loro veloce rateo di regressione (rf ) in grado di superare le limitationi di alcuni convenzionali combustibili polimerici (come ad esempio l’HTPB). Nonostante questo, le cere paraffiniche esibiscono delle scarse proprietà meccaniche e dei difetti di manifattura, dovuti al loro restringimento durante la solidificazione. Le scarse proprietà meccaniche sono mitigate dalla presenza di alcuni polimeri di rinfornzo, mentre il restringimento viene risolto grazie a particolari processi produttivi. In questo lavoro gli US sono usati come diagnostica per la valutazione dell’integrità strutturale (separazione di strati, cricche ed altri difetti) su grani da laboratorio in cere paraffiniche e sul loro rateo di regressione. La valutazione è stata fatta sia su grani convenzionali (cilindrici a singola perforazione centrale), sia su dei dischi di combustibili solidi in una configurazione non convenzionale di un morore ibrido (SVFP). I grani convenzionali sono stati prodotti in due diverse scale (diametri esterni di 30 e 125 mm). Per il SVFP il rateo di regressione è stato stimato grazie ad un’analisi pre- e post-sparo. Le formulazioni investigate sono basate su una cera microcristallina in commercio, miscelata con un polimero rinforzante (SEBS-MA). La frazione massica di questo polimero spazia dal 5% (SEBS-05) al 20% (SEBS- 20). La velocità di propagazione degli US nei campioni testati è stata stimata di 2131 m/s per SEBS-05, 2098 m/s per SEBS-10 e 2017 m/s per il SEBS-20. Gli errori massimi nella stima di difetti dovuti a separazione di strati nei grani piccoli e nella stima dello spessore nei grani grandi, sono risultati essere di 1.32 % e -0.19 % rispettivamente, prendendo, come valore di riferimento, la misura diretta del calibro. Un test sull’inclusione di un oggetto esterno è stato eseguito con successo sul grano del Caso studio. Infine, la stima fatta con gli ultrasuoni sui valori del rateo di regressione del VFP è stata comparata con quelli della procedura standard. I risultati mostrano errori nell’ordine del 8.5 +- 5.34 % fino al -9.5 +- 1.54 % su tutte le formulazioni, mentre le curve di regressione presentano un andamento simile, anche se sottostimato rispetto alle curve di riferimento.