Thermoplastic fuels based on paraffin wax : formulation and metal-load effects on pre-burning characteristics & combustion behaviour

Hybrid rocket engines offer attractive performance coupled with operating flexibility and low recurring cost. However, due to their combustion mechanism, these systems have inherent slow regression rate when using conventional polymeric fuels. This limitation can be partially overcome using liquefying formulations generating a melt fuel layer at the regressing surface. When this layer has low enough viscosity and surface tension, melted fuel droplets can detach from the wavy regressing surface, because of fluid-layer instability. An example of such fuels is paraffin. Liquefying fuels offer poor mechanical performances. Dealing with paraffin waxes, mechanical properties improvement can be achieved by blending with reinforcing polymers. This leads to increased viscosity, reducing the entrainment effect and the regression rate. For this reason, energetic additives can be added to limit this reduction thanks to enhanced heat transfer from convection and radiation. Yet, this strategy leads variations in terms of both mechanical properties of the fuel and viscosity of the liquid layer formed on top of the solid fuel in turn due to the particle load (i.e., hydrodynamic effects). A detailed study about the addition of polymer and additives effects on pre-burning characteristics and combustion behaviour is required. In this work, paraffin-based formulations based on microcrystalline wax are tested. Wax is blended with reinforcing thermoplastic elastomer (SEBS-MA), with mass fraction from 0 to 20 wt.%. Fuel blends are then loaded with micron-sized and nano-sized aluminium powders (0-10 wt.%). SEBS-MA addition has increased ductility of the paraffin-based fuels. Concurrently, an increase in the melt layer viscosity was observed, reducing the regression rate. Aluminium loading stiffened the fuel grain but showed regression rate enhancements. Nano-sized aluminium loading has not exhibited significant improvement compared to micron-sized powder loads as result of agglomeration and surface/subsurface aggregation.

I motori a razzo ibridi offrono interessanti prestazioni e flessibilità operativa. Tuttavia, a causa della natura diffusiva della fiamma, questi sistemi hanno un'intrinseca lenta velocità di regressione. Questa limitazione può essere superata attraverso l'uso di combustibili liquefacenti, che generano uno strato liquido sopra la superficie di regressione. Se lo strato liquido presenta una ridotta viscsoità e tensione superficiale, alcune particelle possono staccarsi, come risultato dell'instabilità dello strato fluido. Un esempio di tali combustibili è la paraffina. La maggiore velocità di regressione data dalla paraffina è accompagnata da scarse prestazioni meccaniche che possono essere migliorate con aggiunta di polimeri di rinforzo. Ciò porta ad un aumento della viscosità della miscela, riducendo l'effetto di entrainment e quindi il rateo di regressione. Per limitare ciò possono essere aggiunti additivi energetici che portano a maggiore trasferimento di calore per convezione (effetto della temperatura della fiamma) e radiazione (particolato ad alta temperatura). Tuttavia, questa strategia porta a variazioni sia delle proprietà meccaniche del combustibile che della viscosità dello strato liquido. È quindi necessario uno studio dettagliato sull'aggiunta di polimeri e additivi. In questo lavoro sono state create formulazioni basate su paraffina, con l'aggiunta del polimero SEBS-MA in quantità variabili (0-20 wt.%). Alcune formulazioni sono caratterizzate dall'aggiunta di polveri di alluminio di dimensioni micrometriche e nanometriche in quantità variabili (0-10 wt.%). L'aggiunta di SEBS-MA ha aumentato la duttilità dei combustibili, portando però ad un aumento della viscosità del loro strato liquido e facendo così ridurre il rateo di regressione. L'aggiunta di alluminio ha irrigidito il materiale ma ha portato ad aumenti del rateo di regressione. L'aggiunta di nano-alluminio non ha mostrato differenze significative rispetto all'aggiunta di micro-alluminio a seguito di fenomeni di agglomerazione ed aggregazione superficiale.