Investigation of metallised paraffin-based fuels embedding 3D printed reinforcing cellular structures

Hybrid Rocket Engines have been a subject of interest for years due to their peculiar traits such as low cost, reignition capabilities and simple design. However, open criticalities shall be tackled to promote the applicability as launch vehicles or upper stages. Notably, the major bottleneck is the slow regression rate for launch applications. Most promising solutions to improve the latter have been: the use of liquefying fuels, of energetic additives and, in recent years, the use of an armoured grain. Thus, the choice of combining the three solutions to evaluate the effect of the metal matrix with the armoured grain. The following analysis tackles the manufacturing, characterization and testing of armoured fuel grains with a metallised paraffin-based matrix. Several metal powders have then been evaluated: micron- and nano- sized aluminium with spherical geometry, micrometric magnesium, and in-house produced flake-like mechanically activated micro-aluminium. For each powder, the performed pre-burning characterization involved: active metal content evaluation, thermogravimetry analysis and morphological classification. Rheological tests are then performed on the paraffin-based matrix with metal powders embedded in it. At last, manufactured armoured grains are fired in a radial motor to provide an extensive ballistic characterization. Results showed a significant increase in regression rate compared to both simply armoured and simply metallised fuels. Under the turbulence enhancement conditions developed by the armoured grain, a direct link between powder reactivity, morphology and regression rate is witnessed. Effects of fuel viscosity on regression rate are also observed.

La propulsione ibrida è da lungo tempo oggetto di forte interesse per via di suoi tratti distintivi quali sicurezza intrinseca, costo ridotto, capacità di riaccensione e semplicità del sistema. Tuttavia, limitazioni intrinseche alla tecnologia impediscono un’applicazione su larga scala per sistemi di lancio, stadi superiori o applicazioni planetarie. In particolare, la bassa velocità di regressione viene storicamente indicata come principale limitazione per simili usi. Miglioramenti più significativi sono resi possibili dalla presenza di additivi altamente energetici nella matrice di combustibile, dall'utilizzo di combustibili liquefacenti e, recentemente, dall'introduzione di strutture cellulari di rinforzo nella matrice. Ancora da investigare è però la combinazione di quest'ultima strategia con le precedenti. In questo contesto si pone la seguente analisi incentrata sullo studio della balistica di combustibili a base paraffinica con additivi metallici e strutture cellulari di rinforzo. La selezione delle polveri metalliche viene operata per garantire un ampio spettro di caratteristiche morfologiche e di reattività, così da studiarne il differente effetto durante la combustione. Si è scelto quindi una polvere sferica di alluminio micrometrico e il suo corrispettivo nanometrico, corredate da una polvere micrometrica di magnesio e una terza polvere di alluminio ottenuta tramite un processo di lavorazione meccanica studiato ad hoc. Per ogni polvere, la caratterizzazione viene effettuata tramite analisi termogravimetriche, valutazione del contenuto di metallo attivo e analisi morfologiche. Analisi reologiche sono quindi condotte sulle matrici paraffiniche metallizzate. Da ultimo, la risposta balistica dei grani armati e metallizzati viene valutata tramite una campagna sperimentale su un motore radiale. Risultati rivelano un significativo miglioramento della velocità di regressione per formulazioni armate e metallizzate sia rispetto a quelle solo armate che quelle solo metallizzate. All'interno del regime turbolento accentuato dalla presenza dell'armatura, si rileva una diretta correlazione tra reattività degli additivi metallici, morfologia degli stessi e velocità di regressione. Si identifica altresì un legame tra quest'ultima e la viscosità della matrice.