Burning of liquefying paraffin-based fuels in a vortex flow hybrid rocket engine with non-conventional configuration

In aerospace propulsion, hybrid rocket engines represent an attractive solution thanks to their advantages in terms of specific impulse, safety, operational flexibility, low recurring cost and environmental impact (chlorine-free exhaust). On the downside, they deliver slow regression rate when burning polymeric fuels, feature low combustion efficiency and suffer from the O/F ratio shift. Liquefying paraffin-based fuels provide faster regression rates with respect to conventional polymeric fuels, thanks to their peculiar combustion behavior. However, paraffin waxes show poor mechanical properties and to overcome this weakness they are typically blended with polymeric reinforcements. A solution to the low combustion efficiency and the O/F shift is the use of non-conventional engine configurations, such as the Vortex Flow Pancake (VFP). This innovative configuration is characterized by an alternative geometry with two flat fuel disks and tangential oxidizer injection. Thanks to the vortex flow developed by the oxidizer inlet configuration and a combustion chamber with length/diameter ratio typically < 1, the VFP is able to deliver high combustion efficiency along with a compact shape. In this work different fuel formulations have been produced starting from two base ingredients: the microcrystalline paraffin wax SasolWax 0907 and the reinforcing polymer Styrene-Ethylene-Butylene-Styrene grafted with Maleic Anhydride (SEBS-MA). The burning behavior of the paraffin-based fuels have been tested in the lab-scale VFP of SPLab (SVFP) in order to estimate the main performance parameters: the solid fuel regression rate (r_f) and the combustion efficiency (based on the characteristic velocity, eta_{c^*}). The formulations have been tested in different conditions in terms of oxidizer mass flow rate, initial combustion chamber height and oxidizer injection velocity. This analysis is of fundamental importance in order to provide a good understanding of the motor response. In general, the regression rate showed a decreasing trend for an increasing amount of SEBS-MA in the blend, due to an increase in the melt layer viscosity that is detrimental in the burning behavior of liquefying fuels. At the same time, it showed no direct dependence on the initial combustion chamber height, while it proved to be dependent on oxidizer injection velocity. Therefore, the latter proved to be a driving parameter in the motor performance. A CFD analysis of the SVFP internal flow has been carried out in order to support the experimental results. Cold flow simulations proved useful to provide a better insight on the observed combustion behavior characterizing the different operating conditions.

Nella propulsione aerospaziale, i motori a razzo ibridi rappresentano una soluzione interessante grazie ai loro vantaggi in termini di impulso specifico, sicurezza, flessibilità operativa, basso costo ricorrente e impatto ambientale (scarico senza cloro). L'aspetto negativo è che forniscono un rateo di regressione lento quando operano con combustibili polimerici, presentano una bassa efficienza di combustione e risentono della variazione nel rapporto O/F. I combustibili liquefacenti a base di paraffina forniscono ratei di regressione più rapidi rispetto ai combustibili polimerici, grazie al loro peculiare meccanismo di combustione. Tuttavia, le paraffine mostrano scarse proprietà meccaniche e perciò vengono tipicamente miscelate con rinforzi polimerici. Una soluzione alla bassa efficienza di combustione e alla variazione O/F è l'uso di motori non convenzionali, come il Vortex Flow Pancake (VFP). Questa configurazione innovativa è caratterizzata da una geometria alternativa con due dischi di combustibile e iniezione tangenziale dell'ossidante. Grazie al flusso vorticoso sviluppato dalla configurazione di iniezione e a una camera di combustione con rapporto lunghezza/diametro tipicamente < 1, il VFP è in grado di fornire un'elevata efficienza di combustione insieme a una forma compatta. In questo lavoro sono state prodotte diverse formulazioni di combustibili partendo da due ingredienti base: la paraffina microcristallina SasolWax 0907 e il polimero rinforzante Stirene-Etilene-Butilene-Stirene innestato con Anidride Maleica (SEBS-MA). Il comportamento alla combustione è stato testato nel motore VFP di SPLab (SVFP) al fine di stimarne i principali parametri prestazionali: il rateo di regressione del combustibile solido (r_f) e l'efficienza di combustione (basata sulla velocità caratteristica, eta_{c^*}). Le formulazioni sono state testate in diverse condizioni di portata massica dell'ossidante, altezza iniziale della camera di combustione e velocità di iniezione dell'ossidante. Questa analisi è di fondamentale importanza per fornire una buona comprensione della risposta del motore. In generale, il rateo di regressione ha mostrato un andamento decrescente per una quantità crescente di SEBS-MA nella miscela, a causa di un aumento della viscosità che è dannoso nel comportamento alla combustione dei combustibili liquefacenti. Allo stesso tempo, non ha mostrato alcuna dipendenza diretta dall'altezza iniziale della camera, mentre si è rivelato dipendente dalla velocità di iniezione dell'ossidante. Pertanto, quest'ultimo si è rivelato un parametro trainante nelle prestazioni del motore. A supporto dei risultati sperimentali è stata effettuata un'analisi CFD del flusso dell'SVFP. Le simulazioni a freddo si sono rivelate utili per una migliore comprensione del processo di combustione osservato nelle varie condizioni operative.