3D-printing and testing of metal-loaded cellular structures for hybrid rocket propulsion

Hybrid rocket engines, a compelling technology attracting much interest in recent decades, encounter a challenge in their incorporation into the launch industry due to the intrinsically low regression rates resulting from the diffusionlimited combustion characteristics of hybrid rocket engines. Liquefying fuels, as paraffin waxes, overcome this limitation. Yet waxes suffer from poor mechanical properties, thus they are unsuitable for operating system implementation. The armored grain, an innovative fuel grain design, demonstrates superior mechanical properties and remarkable ballistic performance over conventional liquefying fuel formulations. In the armored grain a cellular structure is embedded in the fuel. This armor provides mechanical properties to the grain, without compromising the ballistic response. The objective of this research is to expand the existing knowledge on armored grain by examining the utilization of the Stereolithography (SLA) 3D printing technique for the incorporation of aluminum into the armor of the grain. Specifically, aluminum has been introduced into plain resin to enhance ballistic performance of the armored grain, adding metal to the fuel, without loading it into the wax matrix. This research investigates the effect of 3D printed reinforcements on the ballistic performance of fuel grains. Three distinct Triply Periodical Minimal Surfaces (TPMSs) have been developed and characterized by mechanical and ballistic characterizations. The regression rate behavior of armored grain printed with SLA, with and without addition of aluminum, has been studied in a lab-scale radial rocket engine. The results shows praise with regression rate enhancement over non-metallized formulations. Overall regression rate enhancement w.r.t is 20 %.

I motori ibridi, una tecnologia avvincente che ha suscitato grande interesse nelle ultime decadi, incontrano una sfida nella loro integrazione nell’industria dei lanci a causa dei bassi tassi di regressione intrinseci derivanti dalle caratteristiche di combustione limitata dalla diffusione tipiche dei motori a razzo ibridi. I combustibili liquefacenti, come le cere paraffiniche, superano questa limitazione. Tuttavia, le paraffine presentano scarse proprietà meccaniche, rendendole inadatte all’implementazione nei sistemi operativi. Il grano armato, un design innovativo del grano combustibile, dimostra proprietà meccaniche superiori e prestazioni balistiche notevoli rispetto alle formulazioni convenzionali di combustibili liquefacenti. Nel grano armato una struttura cellulare è incorporata nel combustibile. Questa "armatura" conferisce proprietà meccaniche al grano senza comprometterne la risposta balistica. L’obiettivo di questa ricerca è ampliare le conoscenze esistenti sul grano armato esaminando l’utilizzo della tecnica di stampa 3D mediante Stereolitografia (SLA) per l’incorporazione di alluminio nell’armatura del grano. In particolare, l’alluminio è stato introdotto nella resina pura per migliorare le prestazioni balistiche del grano armato, aggiungendo il metallo al combustibile senza caricarlo nella matrice paraffinica. Questa ricerca investiga l’effetto dei rinforzi stampati in 3D sulle prestazioni balistiche dei grani combustibili. Tre diverse superfici minime triplicamente periodiche (Triply Periodical Minimal Surfaces, TPMS) sono state sviluppate e caratterizzate attraverso prove meccaniche e balistiche. Il comportamento del rateo di regressione del grano armato stampato con SLA, con e senza l’aggiunta di alluminio, è stato studiato in un motore a razzo radiale su scala di laboratorio. I risultati mostrano un miglioramento del rateo di regressione rispetto alle formulazioni non metallizzate, con un incremento complessivo di circa il 20 % rispetto al valore di riferimento.