Improving the hydraulic modelling and simulation of the throttleable liquid propellant rocket engine demonstrator TLPD-2

This thesis is part of the work conducted at the Łukasiewicz Research Network – Institute of Aviation within the framework of the Throttleable Liquid Propulsion Demonstrator 2 (TLPD-2) program. This initiative forms part of the European Space Agency’s (ESA) Future Launchers Preparatory Programme (FLPP) on reusable launch systems. The objective of this study is to improve the modelling and simulation of the oxidizer feeding lines of the TLPD in MATLAB/Simulink. The novelty of this work lies in the substitution of standard Simscape hydraulic components with custom-developed physics-based models, resulting in greater control over numerical accuracy and dynamic representation. The modelling process of the hydraulic components was carried out starting from the partial differential governing equations, followed by the selection and implementation of a suitable numerical solution method, specifically the method of lines. Additionally, the thesis addresses the development of dynamic models of hydraulic components, derived and analysed using both experimental results and previously established models. The obtained results are validated through comparison with experimental data recorded from multiple test sequences, covering the entire operational phase of the engine, at different throttling levels and durations. The developed model demonstrates improved numerical stability and significant performance enhancements. The comparison performed during the initial phase of the project between Simscape-based models and the newly developed physics-based implementation indicates a reduction in computational time by approximately one order of magnitude. These results point toward potential performance improvements following the full replacement of the previous Simscape-based model.

Il seguente studio, presenta il lavoro svolto presso il Łukasiewicz Research Network – Institute of Aviation, nell'ambito del programma Throttleable Liquid Propulsion Demonstrator 2 (TLPD-2). Questa iniziativa rientra nel Future Launchers Preparatory Programme (FLPP) dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA) sui sistemi di lancio riutilizzabili. L'obiettivo dello studio è migliorare la modellazione e la simulazione in MATLAB/Simulink delle linee di alimentazione dell'ossidante del TLPD. La novità di questo lavoro risiede nella sostituzione dei componenti idraulici standard di Simscape con modelli personalizzati basati sulla fisica del sistema, ottenendo un maggiore controllo sulla precisione numerica e sulla rappresentazione dei fenomeni dinamici. Il processo di modellazione dei componenti idraulici è stato sviluppato a partire dalle equazioni differenziali parziali che ne governano il comportamento, seguito dalla selezione e implementazione di un appropriato metodo numerico di soluzione, identificato nel metodo delle linee. La tesi affronta inoltre lo sviluppo di modelli dinamici per diversi componenti idraulici, derivati e analizzati utilizzando sia dati sperimentali sia modelli precedentemente consolidati. I risultati ottenuti sono stati validati mediante confronto con dati sperimentali registrati durante molteplici sequenze di test, coprendo l’intero ciclo operativo del motore a diversi livelli di throttling e durate. Il modello sviluppato dimostra una maggiore stabilità numerica e significativi miglioramenti nelle prestazioni. Il confronto effettuato nella fase iniziale del progetto tra i modelli basati su Simscape e la nuova implementazione indica una riduzione dei tempi di calcolo di circa un ordine di grandezza. Questi risultati dimostrano il potenziale per ulteriori miglioramenti delle prestazioni in seguito alla completa sostituzione del precedente modello basato su Simscape.