This research introduces an intrusive method for characterizing exhaust plumes of solid, liquid, and hybrid rocket motors, conducted at the Space Propulsion Laboratory (SPLab) and in collaboration with D-Orbit. Addressing the urgent need to assess engine efficiency and environmental impact, the study develops an experimental apparatus to collect exhaust gases at the nozzle exit, utilizing Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) for qualitative gas analysis. The apparatus, featuring a stainless steel probe and coiled cooling system, reduces gas temperatures from over 2500 K to ambient levels, ensuring safe sam- pling. Tests reveal key constituents, including water vapor (H2O), carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), and nitrogen oxides (NOx), with traces of unburned propellants, though hydrochloric acid (HCl) detection in solid propellants was limited by condensation. Highlighting environmental risks like ozone depletion and soil contamination, this work underscores the need for advanced plume characterization to support sustainable propulsion, laying a foundation for real-time monitoring and quantitative analysis.
Questa ricerca presenta un metodo intrusivo per la caratterizzazione dei pennacchi di scarico di motori a razzo solidi, liquidi e ibridi, condotto presso il Laboratorio di Propulsione Spaziale (SPLab) e in collaborazione con D- Orbit. Rispondendo all’esigenza urgente di valutare l’efficienza dei motori e il loro impatto ambientale, lo studio sviluppa un apparato sperimentale per il prelievo di gas di scarico direttamente all’uscita dell’ugello, utilizzando la spettroscopia a trasformata di Fourier nell’infrarosso (FTIR) per l’analisi qualitativa della composizione gassosa. L’apparato, dotato di una sonda in acciaio inossidabile e un sistema di raffreddamento a serpentina, riduce le temperature dei gas da oltre 2500 K a livelli ambientali, garantendo un campionamento sicuro. I test rivelano componenti chiave, tra cui vapore acqueo (H2O), anidride carbonica (CO2), monossido di carbonio (CO) e ossidi di azoto (NOx), con tracce di propellenti non combusti, sebbene l’acido cloridrico (HCl) nei propellenti solidi sia risultato limitato dalla condensazione. Evidenziando rischi ambientali come la deplezione dell’ozono e l’inquinamento del suolo, questo lavoro sottolinea la necessità di una caratterizzazione avanzata dei pennacchi per supportare una propulsione sostenibile, ponendo le basi per il monitoraggio in tempo reale e l’analisi quantitativa delle emissioni.
An intrusive method for qualitative plume characterization of space propulsion systems via FTIR spectroscopy
Gueli, Gaetano
2024/2025
Abstract
This research introduces an intrusive method for characterizing exhaust plumes of solid, liquid, and hybrid rocket motors, conducted at the Space Propulsion Laboratory (SPLab) and in collaboration with D-Orbit. Addressing the urgent need to assess engine efficiency and environmental impact, the study develops an experimental apparatus to collect exhaust gases at the nozzle exit, utilizing Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) for qualitative gas analysis. The apparatus, featuring a stainless steel probe and coiled cooling system, reduces gas temperatures from over 2500 K to ambient levels, ensuring safe sam- pling. Tests reveal key constituents, including water vapor (H2O), carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), and nitrogen oxides (NOx), with traces of unburned propellants, though hydrochloric acid (HCl) detection in solid propellants was limited by condensation. Highlighting environmental risks like ozone depletion and soil contamination, this work underscores the need for advanced plume characterization to support sustainable propulsion, laying a foundation for real-time monitoring and quantitative analysis.File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/10589/240530