Development of a VFP hybrid rocket engine with paraffin-based fuel formulations for in-space propulsion

The combustion behavior of paraffin-based blends is investigated by a lab-scale vortex flow pancake (VFP) hybrid rocket engine (HRE). A complete pre-burning characterization for different paraffin-based fuel formulations is performed. The tested compositions are based on a micro-crystalline paraffin wax (W1), possibly blended with a styrene-based reinforcing polymer (SEBS-MA). The pre-burning characterization of the fuels includes thermal behavior investigation, and analysis of rheological, tensile and compression properties. The VFP performance are evaluated taking the solid fuel regression rate (r_f) as the main observable of interest. Effects of the vortex flow combustion on the combustion efficiency are assessed by the characteristic velocity efficiency of the lab-scale system. Preliminary data on VFP thrust measurement are evaluated, and the engine behavior during throttling events is investigated. The pre-burning characterization proves that SEBS-MA is a good candidate for improving the mechanical and thermal characteristics for the blends. The burning behavior investigation is divided into two main parts: in the first one, quasi-steady (QS) ballistics is investigated, in the second part the forced transient (FT) response of the VFP is tested. In the first, extensive part of the analysis, more than 69 engine firings are performed, while the second part is limited to 13 runs with oxidizer mass flow rate throttling. Under QS operating conditions, the three main engine operating parameters varied in the current research are: (i) the oxidizer mass flow rate, (ii) the combustion chamber height, and (iii) the oxidizer injection velocity. The first two parameters influence the oxidizer mass flux, while oxidizer injection velocity is altered by changing the number of injectors for the oxidizer inlet flow, granting the comparisons of engine configurations in which the latter is the only changed parameter. Throttling is performed on selected fuel formulations. Under the investigated conditions, the quasi-steady tests showed a regression rate decrease for increasing reinforcing polymer mass fraction in the paraffin-based blends. Such a result is due to the augmented viscosity of the melt layer of the formulations as the reinforcing polymer mass fraction increases. At the same time, the regression rate showed no direct dependence on the initial combustion chamber height, while oxidizer injection velocity dependence was identified. Forced transient tests showed an immediate response to throttling for the two investigated fuels.

Il comportamento in combustione di miscele a base di paraffina è stato studiato grazie ad un motore a razzo ibrido (HRE) vortex flow pancake (VFP) in scala di laboratorio. È stata eseguita una caratterizzazione completa pre-combustione per diverse formulazioni di combustibili a base paraffinica. Sono state testate composizioni a base di una cera di paraffina microcristallina (W1), eventualmente miscelata con un polimero rinforzante a base di stirene (SEBS-MA). La caratterizzazione effettuata prima della combustione ha riguardato l'analisi del comportamento termico e delle proprietà reologiche, di trazione e di compressione dei combustibili. Le prestazioni del VFP sono state valutate considerando come principale parametro di interesse il rateo di regressione del combustibile solido (r_f). Gli effetti del flusso vorticoso sull'efficienza della combustione sono stati valutati in base all'efficienza della velocità caratteristica del sistema in scala di laboratorio. Si sono ottenuti dati preliminari sulla misurazione della spinta del VFP ed è stato studiato il comportamento del motore durante le fasi di modulazione. La caratterizzazione pre-combustione ha dimostrato che SEBS-MA è un buon candidato per il miglioramento delle caratteristiche meccaniche e termiche delle miscele. L'indagine sul comportamento in combustione è stata divisa in due parti principali: nella prima si è studiata la balistica quasi-stazionaria (QS), mentre nella seconda è stata testata la risposta del VFP a transitori forzati (FT). Nella prima, ampia parte del presente lavoro sono stati eseguiti più di 69 test del motore, mentre la seconda parte si è limitata a 13 prove con regolazione della portata massica di ossidante. In condizioni operative QS è stata studiata la variazione di tre parametri operativi principali del motore: (i) la portata massica di ossidante, (ii) l'altezza della camera di combustione e (iii) la velocità di iniezione dell'ossidante. I primi due parametri influenzano il flusso di massa dell'ossidante, mentre la velocità di iniezione dell'ossidante viene modificata variando il numero di iniettori di ingresso del flusso di ossidante, di modo da garantire il confronto tra configurazioni del motore in cui quest'ultimo sia l'unico parametro cambiato. La modulazione è stata eseguita per alcune formulazioni di combustibile selezionate. Nelle condizioni operative investigate i test quasi-stazionari hanno mostrato una diminuzione del rateo di regressione con l’aumentare della frazione massica del polimero di rinforzo nelle miscele a base paraffinica. Tale risultato è dovuto alla maggiore viscosità dello strato fuso delle formulazioni all'aumentare della percentuale in massa del polimero di rinforzo. Allo stesso tempo, la velocità di regressione non ha esibito alcuna dipendenza diretta dall'altezza iniziale della camera di combustione, mentre è stata identificata una dipendenza dalla velocità di iniezione dell'ossidante. I test in transitorio forzato hanno mostrato una risposta immediata alla modulazione per i due combustibili studiati.