Design of a liquid oxidizer feedline for a lab-scale VPF engine

Hybrid rocket engines represent an attractive solution in aerospace propulsion due to their advantages in specific impulse, safety, operational flexibility, low recurring costs, and reduced environmental impact, as they do not produce chlorine-based emissions. However, they also have some limitations, such as a low regression rate when using polymeric fuels, low combustion efficiency, and sensitivity to variations in the O/F ratio. The use of paraffin-based liquefying fuels allows for higher regression rates due to their unique combustion mechanism, but their mechanical properties are poor, requiring the addition of polymeric reinforcements. A potential solution to combustion efficiency issues and O/F variations is the adoption of unconventional engine designs, such as the Vortex Flow Pancake (VFP). This configuration features two fuel disks and tangential oxidizer injection, generating a vortex flow that, combined with a compact combustion chamber with a lengthto- diameter ratio below 1, ensures high combustion efficiency. This study investigates the integration of a self-pressurizing liquid oxidizer, aimed at designing a feed system for a motor with radial injection. In the initial phase, a detailed analysis of material compatibility and safety aspects was conducted, leading to the development of an optimized design that ensures high reliability, safety, and efficiency of the system. Additionally, the feed line was numerically characterized in terms of pressure losses. Finally, a flow regulator based on the Venturi tube principle was developed, allowing, together with a manual valve, the control of the mass flow rate supplied to the engine.

I motori a razzo ibridi rappresentano una soluzione interessante nella propulsione aerospaziale grazie ai vantaggi offerti in termini di impulso specifico, sicurezza, flessibilità operativa, costi contenuti e ridotto impatto ambientale, poiché privi di scarichi clorurati. Tuttavia, presentano alcuni limiti, tra cui un basso rateo di regressione con combustibili polimerici, scarsa efficienza di combustione e sensibilità alle variazioni del rapporto O/F. L’impiego di combustibili liquefacenti a base di paraffina consente di ottenere ratei di regressione più elevati, grazie al loro particolare meccanismo di combustione, ma le loro proprietà meccaniche risultano limitate, rendendo necessaria l’aggiunta di rinforzi polimerici. Una possibile soluzione ai problemi di efficienza e variazione O/F è rappresentata dai motori non convenzionali, come il Vortex Flow Pancake (VFP), che si distingue per una configurazione innovativa con due dischi di combustibile e iniezione tangenziale dell’ossidante. Questa configurazione genera un flusso vorticoso e, grazie a una camera di combustione compatta con rapporto lunghezza/diametro inferiore a 1, garantisce un’elevata efficienza di combustione. In questo studio è stata analizzata l’integrazione di un ossidante liquido autopressurizzante, finalizzata alla progettazione di una linea di alimentazione per un motore con iniezione radiale. Nella fase iniziale, è stata condotta un’analisi approfondita sulla compatibilità dei materiali e sugli aspetti di sicurezza, che ha portato alla definizione di un design ottimizzato per garantire elevata affidabilità, sicurezza ed efficienza del sistema. Oltre a ciò è stata caratterizzata numericamente la linea dal punto di vista delle perdite di carico. Infine è stato realizzato un regolatore di flusso sulla base del principio del tubo di venturi che permettesse insieme a una valvola manuale di gestire il flusso di massa in alimentazione al motore.