Testing of additively manufactured thruster injectors involving self-pressurized propellants

Advances in space technologies are enabling the development of smaller satellites, encouraging the rapid growth of space constellations focused on climate monitoring, Earth observation, telecommunications, global Internet coverage, and more. Such satellites demand compact propulsion systems, favouring self-pressurizing fluids such as nitrous oxide. The use of this propellant allows to avoid heavy pressurization tanks or complex staged combustion systems, characteristic of pressure and pump-fed systems. At the same time, this technical growth led to innovative technologies in manufacturing such as Additive Manufacturing (AM), which allows for fast production of custom made, low production volume parts. However, when combining both technologies, criticalities in the manufacturing may arise and cause issues at pressurization level, further increasing the unpredictability of the system. In this scope, the aim of this work is to experimentally study the effect of AM in the injection mixing pattern of self-pressurized fluids. An analysis of self-pressurizing models is conducted to find possible nitrous oxide analogue fluids and improve operational safety. A test bench is designed and built within a specific environment aimed at thrusters and components testing. This includes fluidic lines, data-acquisition systems (DAQ) and fluid control devices. A Schlieren technique setup is developed in order to analyse a thruster injection plate, designed to implement a self-pressurized flow in gaseous state and to validate the imaging technique. Results from the observation campaign show an increase in the impingement length and atomisation angles directly related to pressure increments. Furthermore, the analysis of the data allows to detect a 4.2º unbalance in the injection, potentially caused by imperfections inside the channels due to the manufacturing process.

I progressi nelle tecnologie spaziali stanno consentendo lo sviluppo di small-satellites, favorendo la rapida crescita di costellazioni spaziali focalizzate sul monitoraggio del clima, sull’osservazione della Terra, sulle telecomunicazioni, sulla copertura Internet globale e molto altro. Tali satelliti richiedono sistemi di propulsione compatti, che privilegiano fluidi autopressurizzanti come il protossido di azoto. L'uso di questo propellente consente di evitare serbatoi di pressurizzazione pesanti o complessi sistemi di combustione a fasi, caratteristici dei sistemi pressure-fed e pump-fed. Contestualmente, questa crescita tecnica ha portato a tecnologie innovative nella produzione come l’Additive Manifacturing (AM), che consente la produzione rapida di parti personalizzate con bassi volumi di produzione. Tuttavia, quando si combinano entrambe le tecnologie, possono sorgere criticità nella produzione, causando problemi a livello di pressurizzazione ed aumentando ulteriormente l'imprevedibilità del sistema. In questo contesto, lo scopo di questo lavoro è studiare sperimentalmente l'effetto dell'AM nel modello di miscelazione di iniezione di fluidi autopressurizzati. È stata proposta un'analisi dei modelli di autopressurizzazione per individuare possibili fluidi analoghi al protossido di azoto e migliorare la sicurezza operativa. Un banco di prova è stato progettato e realizzato all'interno di un ambiente specifico finalizzato al collaudo di propulsori e componenti. Ciò include linee fluidiche, sistemi di acquisizione dati (DAQ) e dispositivi di controllo dei fluidi. Una tecnica di Schlieren è stata sviluppata al fine di analizzare una piastra di iniezione del propulsore, progettata per implementare un flusso autopressurizzato allo stato gassoso e per validare la tecnica di imaging. I risultati della campagna di osservazione mostrano un aumento della lunghezza di impatto e degli angoli di atomizzazione direttamente correlati agli incrementi di pressione. Inoltre, l'analisi dei dati consente di rilevare uno squilibrio nell'iniezione di 4.2º, potenzialmente causato da imperfezioni all'interno dei canali dovute al processo di fabbricazione.