A finite element analysis of paraffin based fuel grains for orbit insertion by re startable future launch vehicle

Hybrid Rocket Engines (HREs) are an attractive propulsion system for the capability of delivering relatively high specific impulse performance with reduced costs and environmental impact. In this context, liquefying fuels (e.g. paraffin waxes) find good application field, due to their superior regression rate with respect to conventional polymeric fuels, hence assuring considerable levels of thrust. However, these fuels show low-performing structural response in presence of high temperatures, where the typical brittle and frail behaviour couples with a relative low value for the melting temperature. The aims of this work is to develop a fully comprehensive thermo-mechanical model for paraffin-based fuel grains to be exploited for orbit insertion of payloads by future launch systems. The present work starts from the generation of the thermal model for paraffin wax, during the exposure to combustion effects, to be employed as input for the structural analysis. Consequently, the thermo-mechanical model for paraffin-based fuels is developed starting from compression tests results made on lab-scale specimens. In this context, information regarding the deformation rate and temperature are taken into account, due to their prominent role in characterizing the mechanical behaviour of such kind of fuels. Finally, he structural response is therefore assessed via a commercial finite element (FE) software, investigating the required operating profile of the Hybrid Propulsion System (HPS). All the analyses are performed in two different configurations, based on the developed designs for the HPS; highlighting the thermo-structural effects, the pros and the cons for a specific configuration.

I motori a propellente ibrido (HRE) sono un sistema propulsivo attrattivo per la loro capacità di garantire buone prestazioni in termini di impulso specifico, ad un costo e un impatto ambientale ridotto. In questo contesto, i combustibili liquefanti (i.e. la cera a base paraffinica) trovano una buona applicabilità. Quest’ultimi sono caratterizzati da un elevato rateo di regressione, se comparato con altri combustibili polimerici convenzionali, assicurando elevati livelli di spinta. Tuttavia, tali combustibli mostrano una scarsa integrità strutturale, in particolare in presenza di elevate temperature, dove la rigidezza e la tipica fragilità sono accoppiate ad un basso punto di fusione. Il seguente lavoro punta all’elaborazione di un modello termo-meccanico omnicomprensivo per la paraffina e allo studio della risposta termo-meccanica di un combustibile a base paraffinica per essere utilizzato per l’inserzione in orbita di payloads da parte di futuri sistemi di lancio. Il presente lavoro parte con la generazione del modello termico per la paraffina a seguito degli effetti della combustione, in modo da poter essere utilizzati come input per l’analisi strutturale. In seguito, il modello per combustibili paraffinici è sviluppato partendo dai risultati di test a compressione svolti su provini da laboratorio. In questo contesto, le informazioni riguardo il rateo di deformazione e la temperatura sono presi in considerazione, dato il loro ruolo preminente nella caratterizzazione del comportamento meccanico di questo tipo di combustibili. Infine, la risposta termo-strutturale è indagata mediante un software commerciale ad elementi finiti (FE), investigando il profilo operativo del sistema ibrido. Tutte le analisi sono condotte in due diverse configurazioni derivanti dai design dell’HPS, sottolineando gli effetti termo-strutturali, i pro e i contro di ogni specifica configurazione.