Manufacturing of large-scale paraffin-based fuel grains for hybrid rocket motors : setup design and implementation

The objective of the thesis is to validate the centrifugal casting method to produce large-scale paraffin fuel grains for hybrid rocket propulsion. Paraffin shows great promise as a hybrid rocket fuel because of its low material cost and high regression rate. However, large-scale applications of this fuel are yet to be implemented because of various reasons. First of all, paraffin has poor mechanical properties. While it performs admirably as a fuel, large scale applications require it to withstand pressure and temperature combinations in combustion chambers that challenge the grain's ability to stay intact. Moreover, grain defects such as cracks or pores are not only detrimental to its mechanical capabilities, but also to combustion stability and safety. It is therefore a priority to produce flawless grains devoid of any cracks or porosities. To enhance the mechanical properties of pure paraffin, a styrenic polymer was added. The third component of the blend is a grain opacifier, which is needed to improve burning performance and to reduce heat dissipation into the grain bulk. Design, construction, and testing of the centrifugal casting apparatus was done. The first attempt to spin the mold was unsuccessful, due to hazardous vibrations of the machine. Following that, a second configuration was designed, its parts ordered and constructed. The second configuration performed much better in terms of vibrations, reducing them almost to zero. The newer configuration was also less expensive, although it required more handiwork to prepare and construct with respect to the first one. The casting apparatus is comprised of: a kiln in which the blend is melted, a heated tube that delivers the melt and a spinning apparatus which spins the mold for the centrifugal casting. Dimensions of the hollow cylinder grains are: outer diameter of 251 mm, inner diameter of 75 mm and 428 mm length. Grains produced at SpLab will be fired at an external location to retrieve ballistic data.

L'obiettivo della tesi è la validazione del processo di colata centrifuga per la produzione di grani di paraffina per razzi ibridi. La paraffina è molto promettente come combustibile ibrido per il suo basso costo e alto grado di regressione. Nonostante ciò, applicazioni su grande scala di questo propellente non sono mai state implementate finora per svariati motivi. Primo tra questi, la paraffina ha proprietà meccaniche scadenti. Sebbene sia un ottimo combustibile, applicazioni su grande scala richiederebbero che sia in grado di sostenere combinazioni di pressione e temperatura in camera di combustione che mettono a repentaglio l'integrità del grano. Inoltre, difetti di grano come cricche o pori non solo solo dannosi per le proprietà meccaniche, ma anche per la stabilità di combustione e la sicurezza. Risulta quindi una priorità la produzione di grani perfetti e privi di cricche o porosità. Per incrementare le proprietà meccaniche della paraffina pura, è stato aggiunto un polimero stirenico. Il terzo componente della miscela è un opacizzante, che serve a incrementare le prestazioni della combustione e a ridurre la penetrazione del calore all'interno del grano. La progettazione, costruzione e collaudo dell'apparato di colata centrifuga sono stati fatti. Il primo tentativo di mettere in rotazione lo stampo è stato fallimentare perchè le vibrazioni generate erano eccessive. Dopodichè, una seconda configurazione è stata progettata, le sue componenti sono state ordinate ed è stata costruita. La seconda configurazione si è dimostrata superiore in termini di vibrazioni, riducendole quasi a zero. La nuova configurazione è anche meno costosa, sebbene richiedesse una maggior manodopera per la prerparazione rispetto alla prima. L'apparato di colata centrifuga è composto da: un crogiolo per la fusione della miscela, un tubo riscaldato che porta la paraffina allo stampo e una centrifuga che mette in rotazione lo stampo. Le dimensioni dei grani prodotti sono: diametro esterno 251 mm, diametro interno 75 mm e lunghezza 428 mm. I grani prodotti al SpLab saranno bruciati in sede esterna per rilevarne i dati balistici.