Thermal profile of regressing paraffin-based fuels: intrusive measurement development and experiments

Hybrid rocket engines (HRE) are a promising solution in space propulsion, comprising a thermo-chemical system with fuel and oxidizer in two different states of matter. This setup represents an intermediate configuration between the wellestablished technologies of solid and liquid rocket engines. The key drivers for the choice of HRE are the high theoretical specific impulse, operating flexibility, low cost and environmental impact. However, they exhibit slow regression rates, poor combustion efficiency and O/F ratio shift. While these drawbacks hinder their use in space, numerous research activities are done to get a complete characterization of this technology. Two strategies to enhance the regression rate are the use of liquefying, paraffin-based fuels or the swirled injection of the oxidizer flow. These kind of fuels form a liquid layer during combustion over the solid fuel surface. The hot gaseous flow of the combustion chamber disrupt this layer capturing droplets of liquid fuel, which leads to an increase in both regression rate and combustion efficiency. This phenomenon is called entrainment. This study focuses on the thermal profiling of the solid fuel grain during the combustion process by making use of embedded high-sensible thermocouples. Main interest is understanding both heat-wave penetration inside the solid grain, which can compromise structure integrity, and the liquid layer thickness, key of the entrainment. First part of the work is about thermocouples, their selection, crafting and performances evaluation. Secondly, the best embedding strategy of the probe is investigated. Next, firing tests are performed and temperature readings of the sensor are tracked. Last, experimental data are compared with a developed thermal model to evaluate the differences desiderata.

I motori a razzo ibridi (HRE) sono una soluzione promettente per la propulsione spaziale, che comprende un sistema termochimico con combustibile e ossidante in due diversi stati della materia. Questa configurazione rappresenta una via di mezzo tra le tecnologie consolidate dei motori a razzo solidi e liquidi. I fattori chiave per la scelta degli HRE sono l’elevato impulso specifico teorico, la flessibilità operativa, il basso costo e l’impatto ambientale. Tuttavia, essi presentano tassi di regressione lenti, scarsa efficienza di combustione e spostamento del rapporto O/F. Sebbene questi inconvenienti ne ostacolino l’uso nello spazio, sono in corso numerose attività di ricerca per ottenere una caratterizzazione completa di questa tecnologia. Due strategie per migliorare la velocità di regressione sono l’uso di combustibili liquefacenti a base di paraffina o l’iniezione vorticosa del flusso di ossidante. Questi tipi di combustibili formano uno strato liquido durante la combustione sulla superficie del combustibile solido. Il flusso gassoso caldo della camera di combustione interrompe questo strato catturando le goccioline di combustibile liquido, il che porta a un aumento del tasso di regressione e dell’efficienza della combustione. Questo fenomeno è chiamato trascinamento. Questo studio si concentra sulla profilazione termica del grano di combustibile solido durante il processo di combustione, facendo uso di termocoppie integrate ad alta sensibilità. L’interesse principale è comprendere sia la penetrazione delle onde di calore all’interno del grano solido, che può compromettere l’integrità della struttura, sia lo spessore dello strato liquido, chiave del trascinamento. La prima parte del lavoro riguarda le termocoppie, la loro selezione, la realizzazione e la valutazione delle prestazioni. In secondo luogo, si studia la migliore strategia di incorporazione della sonda. Successivamente, vengono eseguiti test di accensione e vengono tracciate le letture della temperatura del sensore. Infine, i dati sperimentali vengono confrontati con un modello termico sviluppato per valutare le differenze desiderate.