Effetti di geometria del grano combustibile nei processi di combustione in motori ibridi per la propulsione spaziale

Hybrid chemical propulsion engines are, at present, the most important typology of engines, as they provide important propulsion characteristics (safety, engine throttling, extinction and re-ignition) and for this reason they are very interesting among the primary propulsion systems. Depending of the physical state of the propellant used in rocket motors, the thermochemical engines can be classified as solid, liquid or hybrid. Each class provides advantages and disadvantages influencing the choice of the most suitable type for different kinds of mission. The hybrid propulsion for aerospace applications offers a lot of advantages compared to the traditional rocket propulsion systems (solid and liquid systems), including safety, thrust modulation, lower costs and a lower environmental impact. In order to extend the possible missions, it is necessary to get over the main limit of the hybrid propulsion systems: the low regression rate of the solid grain. The goal of this experimental work is to investigate innovative solid fuels for hybrid rocket engines and to measure the regression rate, so as to increase this parameter. The investigated formulations are based on solid wax added with energetic (like Magnesium hydride and Lithium Aluminium hydride) and not energetic additives (like carbon black) in two different geometries: radial (cylindrical shape with a central perforation) and slab (parallel plates with a rectangular section). Comparing the ballistic performance of these formulations it is possible to characterize the improvement, in terms of regression rate, coming from the used ingredients and the different geometries. The importance of the main phenomena characterizing the combustion of these fuels (entrainment effect, addition of metal hydrides and carbon black, change of geometry from slab to radial) can be investigated and quantified. The present experimental investigation has allowed the generation of a data base emphasizing how the effect of the geometry (slab and radial configuration) gives higher regression rates, compared to the addition with energetic (metal hydrides) and not energetic materials (carbon black).

I propulsori spaziali di tipo chimico rappresentano allo stato attuale della tecnologia la tipologia più importante in quanto forniscono un elevato valore di spinta rispetto al peso proprio, e sono quindi di interesse tra i sistemi di propulsione primaria. A seconda dello stato dei propellenti utilizzati, i propulsori termochimici si possono classificare in solidi, liquidi e ibridi. Ognuna di queste classi ha vantaggi e svantaggi intrinseci che condizionano la scelta della configurazione più adeguata al tipo di missione. La propulsione di tipo ibrido per impieghi aerospaziali offre numerosi vantaggi rispetto ai sistemi propulsivi termochimici più tradizionali di tipo solido o liquido tra cui la sicurezza intrinseca, la possibilità di modulare la spinta, i costi ridotti ed il minore impatto ambientale. Per poter utilizzare ed estendere il campo di missioni realizzabili, si rende necessario superare il principale limite dei sistemi propulsivi di tipo ibrido, ovvero la bassa velocità di regressione del grano solido. A fronte della primaria necessità di incrementare tale velocità, il presente lavoro di tesi si pone l’obbiettivo di indagare combustibili solidi innovativi per endoreattori ibridi e di misurare la velocità di regressione, attraverso opportune campagne sperimentali. Le formulazioni investigate sono a base di cera solida con l’aggiunta di additivi energetici quali idruro di magnesio e litio alluminio idruro, e non energetici quali nero fumo, e presentano due geometrie diverse: radiale (cilindrica con perforazione centrale) e slab (lastre parallele a sezione rettangolare). Confrontando le prestazioni balistiche di tali formulazioni è possibile caratterizzare l’apporto positivo, in termini di velocità di regressione, derivante dagli ingredienti impiegati e dalle differenti geometrie e quantificare l’importanza relativa dei principali fenomeni fisico-chimici che caratterizzano la pirolisi di questi combustibili (effetto di entrainment, aggiunta di nero fumo,additivazione con idruri metallici, modifica della geometria da slab a radiale). L’indagine sperimentale condotta ha consentito la generazione di un data base che evidenzia come effetti di geometria (configurazioni slab a radiale) consentano incrementi della velocità di regressione maggiori rispetto alla additivazione con materiali energetici (idruri metallici) e non energetici (nero fumo).