Development of a solid rocket motor design tool and application in spin-up motors

The aim of this work is to design a system of spin-up motors (SUMs) for a sounding rocket as part of a strategy chosen by the German Aerospace Center (DLR) to reduce dispersion of their vehicles. SUMs are small solid rocket motors (SRMs) mounted on the boost adapter between two stages to provide a roll motion to the sounding rocket by applying a controlled torque around its longitudinal axis. A design tool is created in Python with the aim to compute the geometry and the performance of a SUM unit and of the spin-up system. The chosen propellant formulation is composed by ammonium perchlorate (AP) as oxidizer, hydroxyl terminated polibutadiene (HTPB) as binder and aluminum powder as fuel. Through a Monte Carlo simulation, the impact of the uncertainties of the empirical coefficients a and n of the Vieille/Saint-Robert’s law on the behaviour of performance variables is assessed. An optimization study is performed to obtain the geometrical properties of the motor. The results of the design tool match the ones of the validation cases and meet the requirements imposed by DLR’s Mobile Rocket Base (MORABA). However, minor discrepancies due to the simplifications present in the tool emerge from the comparison of the ideal model to experimental data in the transient phases of ignition and tail-off. The tool is also used with two green propellants based on ammonium nitrate (AN) and ammonium dinitramide (ADN) as oxidizers to check the feasibility of these compounds to replace AP. A preliminary design and calculation of the dimensions of the structural components of a SUM unit is accomplished and finally a model on the computer aided design (CAD) software CATIA V5 is generated, as a first step towards the future construction of a spin-up system.

Questo lavoro si prefigge l’obbiettivo di progettare un sistema di spin-up motors (SUMs) per un razzo sonda nel contesto della strategia adottata dal Centro Aerospaziale Tedesco (DLR) per ridurre la dispersione dei loro razzi. I SUMs sono piccoli motori a razzo a propellente solido (SRMs) disposti nel modulo di congiunzione tra due stadi e forniscono un movimento di rollio al razzo sonda attorno al suo asse longitudinale. Per il calcolo della geometria e delle performance di un SUM e del sistema di spin-up è stato creato uno strumento di modellazione in Python. Il propellente scelto è composto da perclorato di ammonio (AP) come ossidante, polibutadiene con radicali ossidrilici terminali (HTPB) come legante e polvere di alluminio (Al) come carburante. Tramite il metodo Monte Carlo è stata analizzata l’influenza delle incertezze legate ai coefficienti a e n nella legge di Vieille/Saint-Robert sul livello di performance del motore. Una tecnica di ottimizzazione è stata creata per determinare le dimensioni del motore. I risultati sono coerenti con i dati forniti da casi realistici e soddisfano le richieste del dipartimento Mobile Rocket Base (MORABA) del DLR. A causa delle semplificazioni presenti nello strumento, sono state riscontrate piccole differenze nella modellazione dei transitori (ignition e tail-off) nel confronto tra il modello ideale e dati sperimentali. Lo strumento è stato utilizzato con due propellenti alternativi che utilizzano rispettivamente il nitrato di ammonio (AN) e la dinitroammina di ammonio (ADN) come ossidanti, allo scopo di valutare la possibilità di sostituire AP con questi composti. Il calcolo preliminare delle dimensioni dei componenti strutturali di un SUM ha infine permesso di creare un modello sul software computer aided design (CAD) CATIA V5, realizzando il primo passo verso una futura costruzione del motore e del sistema di spin-up.