Green in-Space Propulsion: Testing of a Lab-Scale with Reinforced Fuels from Sustainable Source

Hybrid Rocket Engines (HREs) are peculiar propulsive systems that could represent an af- fordable and effective alternative to the well–known solid rocket motors (SRMs) and liquid rocket engines (LREs). Indeed, HREs merge the safe, reliable and operational flexibility (e.g., thrust modulation) benefits of LREs with the simplicity and cost effectiveness of SRMs. Nonetheless, the application of these systems has been hampered by their lower thrust level compared to the other two implementations. This ballistic drawback can be overcome by using liquefying fuels. In particular, paraffin–based fuels represent a more affordable, less toxic and cheaper alternative capable of providing higher regression rates than traditional polymeric fuels. Nevertheless, these fuels are not suitable to withstand loads associated to launches and to several space missions. The conventional reinforcement strategy with polymeric additives leads mechanical improvements of paraffin–based fuels, but also ballistic performance loss. In this respect, the Space Propulsion Laboratory (SPLab) of Politecnico di Milano developed a new class of paraffin–based fuels featuring both structural and burning performance: the armored grain. This strengthening approach consists of a 3D–printed cellular structure embedded in a paraffin–based fuel matrix. So far, the studies on this novel class of fuel attested that armored grains exhibit faster regression rate and higher mechanical properties than classical “non–armored” paraffin–based fuels. This work focuses on the improvement of the armored grain by developing a greener and more sustainable version of this new type of fuel. In recent times there has been a great concern about green propulsion technologies to face pollution and climate change. Even tough the choice of paraffin waxes instead of thermoplastic polymers goes towards more "eco–friendly" HREs, paraffin (and 3D–printer polymers) are derived from petrolatum. Therefore, in order to enhance the sustainable level of this novel fuel, the paraffin matrix and the conventional 3D–printer polymers were substituted by natural waxes and bio–plastic materials. More specifically, carnauba wax and bee’s wax have been exploited together with commercial and in–house produced filaments bio–polymeric filaments. The study of the bio–armored grains covered two main areas: pre–burning characterization and evaluation of the ballistic performance. The pre–burning activities involved thermal analysis, by means of simultaneous thermogravimetry (TG) and differential thermal analysis (DTA), and mechanical characterization, via compression tests. The former highlighted the different thermal stability of the natural waxes and of the bio–polymers. Compression tests of the printed structures underlined the different response between gyroid manufactured by using in–house produced and commercial filaments. The presence of the 3D–printed reinforcement turned the extremely brittle behavior of the pristine natural wax into a tough mechanical response, thus increasing the potential deformation energy. The relative ballistic grading of the fuels was performed in a lab–scale radial burning engine (RBE) and in the vortex flow pancake (VFP) motor. The tests revealed that the bio–armored grains burn faster than the natural wax baseline. Similarly to the paraffin–based armored grains, this result could be explained by the irregular texture of the burning surface that promotes turbulence and the convective heat transfer. The ballistic characterization via the VFP engine confirmed the same RBE trends. However, the exotic VFP configuration led to a lower rf boosting due to the embedded armature effect compared to the conventional RBE.

I motori spaziali a tecnologia ibrida sono peculiari sistemi propulsivi in grado di fornire un’ alternativa conveniente ed efficace ai ben noti motori solidi e liquidi. Infatti, il motore ibrido unisce sicurezza, affidabilità e flessibilità (e.g., modulazione della spinta) dei liquidi con la semplicità e l’accessibilità dei solidi. Ciononostante, l’applicazione di tali sistemi è stata ostacolata durante gli anni dal basso livello di spinta prevista se paragonata con le tecnologie omologhe. Questo svantaggio, relativo alla balistica della tecnologia ibrida, può essere superato utilizzando i cosiddetti "liquefying fuels". In particolare, i combustibili a base paraffinica rappresentano un’ alternativa più abbordabile, meno tossica ed economicain grado di produrre ratei di regressione del grano solido più rapidi dei tradizionali carburanti polimerici. Tuttavia, quest’ultimi non sono adatti per resistere ai carichi associati durante le operazioni di lancio e in diverse missioni spaziali. La convenzionale strategia di rinforzo delle paraffine tramite l’addizione di additivi polimerici porta al miglioramento delle proprietà meccaniche, ma allo stesso tempo anche a un degradamento performance balistiche. A tale riguardo, il laboratorio di propulsione spaziale (SPLab) del Politecnico di Milano ha sviluppato una nuova classe di carburanti a base paraffinica caratterizzati da alte performance sia in termini strutturali che balistici: il grano armato. Questa strategia di rinforzo consiste nell’integrare una struttura cellulare stampata in 3D all’interno di una matrice a base paraffinica. Finora, gli esperimenti con questa innovativa classe di carburanti hanno testimoniato che il grano armato esibisce velocità di regressione più rapide, e proprietà meccaniche più alte, dei rispettivi carburanti paraffinici "non–armati". Questo lavoro punta a migliorare la tecnologia del grano armato sviluppandone una versione più ecologica e sostenibile. Recentemente l’interesse verso la propulsione green è significativamente aumentata per cercare di contrastare l’inquinamento e il cambiamento climatico. Sebbene la scelta delle cere paraffiniche, invece dei carburanti polimerici convenzionali, porta a motori ibridi più eco–compatibili, la paraffina (e i polimeri utilizzati nella stampa 3D) è ricavata dal petrolio. Pertanto, al fine di valorizzare maggiormente l’aspetto sostenibile di questi nuovi carburanti, la matrice paraffinica e i polimeri convenzionali per la stampa 3D sono stati sostituiti da cere naturali e materiali bio–plastici. Più specificamente, sono state sfruttate la cera carnauba e la cera d’api insieme a filamenti ecologici per stampa 3D auto–prodotti e commerciali. Lo studio del grano armato bio ha ricoperto due principali aree: la caratterizzazione di pre– combustione e la valutazione delle performance ballistiche. Le attività di pre–combustione hanno coinvolto l’analisi termica, attraverso analisi termogravimetrica (TG) e differenziale (DTA), e la caratterizzazione meccanica, via test di compressione. La prima ha evidenziato la diversa stabilità termica delle cera naturali e dei polimeri bio. I test di compressione delle strutture cellulari stampate in 3D hanno sottolineato la diversa risposta meccanica tra giroidi stampati con filamenti prodotti in casa e quelli stampati con filamenti commerciali. La presenza del rinforzo ha trasformato il comportamento estremamente fragile della cera naturale in una risposta meccanica tenace, incrementando l’energia potenziale di deformazione del grano. La classificazione balistica dei carburanti è stata condotta in due motori ibridi in scala: il motore radiale e il vortex flow pancake (VFP). I test hanno rivelato che i grani armati bio bruciano più velocemente della rispettiva cera naturale di riferimento senza armatura. Similmante ai grani armati a base paraffinica, questo risultato può essere spiegato dall’irregolare struttura della superficie di combustione che promuove la turbulenza del flusso e lo scambio termico convettivo. La caratteriz- zazione balistica con il VFP ha confermato gli andamenti dei risultati ottenuti con il motore radiale. Tuttavia, l’esotica configurazione del VFP ha portato ad un contenuto miglioramento della velocità di regressione se paragonato alla convenzionale configurazione radiale.