Preliminary design of a hybrid autophage rocket engine test bench

This thesis presents the preliminary design of two critical subsystems for the Slab Burner, a test bench to de-risk the innovative hybrid autophage propulsion concept for Alpha Impulsion’s Grenat launcher. The work addresses two primary objectives: the design of a robust thermal management system for the combustion chamber and the selection and sizing of a reliable ignition system. The methodological approach for the thermal system began with a 1D transient analysis, which proved simple radiation cooling is insufficient to manage the extreme heat loads. This led to the design of two solutions: an active water-cooling plate and a passive ablative thermal protection system. These designs were refined using a more accurate convective heat transfer coefficient obtained from a 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation. For the ignition system, a multi-stage trade-off analysis identified an augmented spark plug torch as the optimal solution for its high reliability and reusability. Its viability was validated with a transient heat transfer simulation confirming sufficient energy delivery to the HDPE fuel grain to achieve self-sustaining combustion. The results validate the feasibility of the proposed subsystems. The CFD analysis yielded a lower heat transfer coefficient than the one initially estimated empirically, confirming that both the redesigned water-cooled and ablative systems provide a robust safety margin. The ignition simulation demonstrated that the chemical energy released by the pyrolyzed fuel exceeds the igniter's energy input by a factor of 1.32, ensuring successful ignition. This work provides a foundational design that bridges theoretical analysis with hardware development, advancing the validation of autophage propulsion for next-generation launchers.

Questa tesi presenta la progettazione preliminare di due sottosistemi critici per lo Slab Burner, un banco prova sviluppato per ridurre i rischi associati al concetto innovativo di propulsione ibrida autofaga del lanciatore Grenat di Alpha Impulsion. Il lavoro affronta due obiettivi principali: la progettazione di un sistema di gestione termica per la camera di combustione e la selezione e dimensionamento di un sistema di accensione. L’approccio metodologico per il sistema termico è iniziato con un’analisi transitoria monodimensionale, che ha dimostrato come il semplice raffreddamento radiativo non sia sufficiente a gestire i carichi termici estremi. Ciò ha portato alla progettazione di due soluzioni: una piastra di raffreddamento attiva ad acqua e un sistema passivo di protezione termica ablativa. Questi progetti sono stati raffinati utilizzando un coefficiente di scambio termico convettivo più accurato, ottenuto tramite una simulazione CFD tridimensionale. Per il sistema di accensione, un’analisi comparativa a più fasi ha identificato come soluzione ottimale una torcia a candela potenziata, grazie alla sua elevata affidabilità e riutilizzabilità. La sua fattibilità è stata validata con una simulazione transitoria di scambio termico, che ha confermato l’apporto energetico sufficiente a innescare nel grano di combustibile in HDPE una combustione autosostenuta. I risultati confermano la fattibilità dei sottosistemi proposti. L’analisi CFD ha fornito un coefficiente di scambio termico inferiore rispetto alle stime empiriche iniziali, confermando che sia il sistema raffreddato ad acqua sia quello ablativo ridisegnati garantiscono un solido margine di sicurezza. La simulazione di accensione ha dimostrato che l’energia chimica rilasciata dal combustibile pirolizzato supera l’energia fornita dall’accenditore di un fattore pari a 1,32, assicurando un’accensione riuscita. Questo lavoro fornisce una progettazione di base che collega l’analisi teorica allo sviluppo hardware, contribuendo all’avanzamento della validazione della propulsione autofaga per i lanciatori di nuova generazione.