Performance Analysis of a VFP Engine: nozzle water-cooling effects and combustion efficiency

A Hybrid Rocket Engine (HRE) is a thermo-chemical propulsion system that stores fuel and oxidizer in two different states of aggregation. HREs feature multiple advantages such as increased operating flexibility compared to Solid Rocket Motors, lower architectural complexity with respect to traditional Liquid Rocket Engines and reduced costs both due to the architecture and fuel price. However, traditional fuel formulations employed in HREs exhibit low regression rates and the propellants require prolonged mixing for an efficient combustion. This results in HREs having usually a high length-to-diameter ratio (L/D) or more complex grain geometries to increase thrust, leading to structural challenges and reduced volumetric efficiencies. Additionally, the diffusive flame in HREs leads to combustion efficiencies relatively lower than the other thermo-chemical propulsion systems. These limitations have hindered the application of hybrid rockets in both launch and in-space scenarios. The Vortex Flow Pancake (VFP) system represents an unconventional configuration for a HRE. In this design, a tangential oxidizer injection generates a vortex flow field in the combustion chamber, which is delimited by the space within the two solid fuel discs. The space between the two discs is smaller than their diameter, resulting in a compact engine characterized by a L/D < 1. The swirling flow results in improved mixing of the propellants, therefore enhancing the combustion efficiency. On top of that, the tangential oxidizer flux provides thermal protection to the combustion chamber side walls against the flame. Furthermore, this innovative design drastically reduces the O/F shift phenomenon during combustion, which is a commonly observed drawback in traditional HREs. This research aims at modeling a heat transfer problem to evaluate the power subtracted from the expanding exhaust gas of the VFP engine, developed at Politecnico di Milano (SVFP), by its water-cooled nozzle. The first part of this work consists in the formulation of a thermal model capable of describing the problem through the use of empirical correlations taken from literature. Once the problem is described, a code is then used to analyze temperature data from multiple experimental tests. Finally, a CFD analysis is employed to calibrate this code and make it more accurate. The results demonstrated the functionality of the code by providing an estimate of the temperatures reached by the nozzle and the thermal power extracted by the cooling chamber from the exhaust gases in a variety of firing conditions. Furthermore, a comprehensive ballistic analysis was conducted using data from the tests for various fuel formulations.

Un motore a razzo ibrido è un sistema di propulsione termochimica che utilizza combustibile e ossidante in due diversi stati di aggregazione. Questi motori presentano diversi vantaggi come flessibilità operativa, se comparata a motori a propellenti solidi, semplicità dell’architettura, se confrontata con quella di tradizionali motori a propellente liquido e costi contenuti dovuti sia alla ridotta complessità, sia al prezzo dei combustibili. Tuttavia, le formulazioni tradizionali del grano solido impiegate mostrano basse velocità di regressione, inoltre il propellente richiede più tempo per una corretta miscelazione. Ciò comporta che i motori abbiano un alto rapporto lunghezza-diametro (L/D) o geometrie di grano più complesse per aumentare la spinta, portando a problemi strutturali e riducendo le efficienze volumetriche. Inoltre, la fiamma diffusiva nei motori ibridi porta a efficienze di combustione relativamente inferiori rispetto ad altri sistemi di combustione termochimica. Queste limitazioni hanno ostacolato l’applicazione dei sistemi di propulsione a razzo ibridi sia nei lanciatori che nella propulsione spaziale. Il Vortex Flow Pancake (VFP) rappresenta una configurazione non convenzionale per un motore ibrido. In particolare l’iniezione tangenziale di ossidante genera un campo di flusso vorticoso nella camera di combustione, individuata dallo spazio tra due dischi di combustibile solido. Lo spazio tra i due dischi è più piccolo del loro diametro, risultando in un motore compatto caratterizzato da un rapporto L/D < 1. Il flusso vorticoso porta a una migliore miscelazione del propellente, migliorando dunque l’efficienza di combustione, inoltre fornisce protezione termica alle pareti laterali della camera di combustione grazie al flusso di ossidante. Inoltre, questo design innovativo riduce drasticamente il fenomeno di variazione del rapporto ossidante/combustibile (O/F) durante la combustione, un inconveniente comunemente osservato negli HRE tradizionali. Questa ricerca si propone di modellare un problema di trasferimento di calore per valutare la potenza sottratta ai gas di scarico in espansione in un ugello raffreddato ad acqua del motore VFP sviluppato presso il Politecnico di Milano (SVFP). La prima parte di questo lavoro coinvolge lo studio di un modello termico per descrivere il problema attraverso correlazioni empiriche provenienti dalla letteratura. In seguito, è stato utilizzato un codice per analizzare i dati di temperatura ottenuti durante una campagna di test sperimentali. Infine, un’analisi CFD è stata impiegata per tarare questo codice e renderlo accurato. I risultati ne hanno dimostrato la funzionalità, fornendo una stima delle temperature raggiunte dall’ugello e della potenza termica estratta dai gas di scarico. Inoltre, è stata condotta un’analisi balistica utilizzando dati provenienti dai test per diverse formulazioni di carburante.