Balistica quasi stazionaria di combustibili solidi per la propulsione spaziale ibrida

An hybrid rocket engine, is a system in which fuel and oxidizer are in different phases. The main purpose of this thesis is the ballistic characterization of solid fuels for hybrid space propulsion. A $HTPB$ (Hydroxil-Terminated-Polybutadiene) based solid fuel formulation was investigateted at the experimental facilities of Space Propulsion Laboratory (SPLab) of Politecnico di Milano. Fuel was studied under variable operating pressure (between 7 and 13 $bar$) and different oxidizer flux (between 40 and 70 $NLpm$), flowing in a central port of a sample with initial diameter of 4 $mm$. Ballistic characterization, expressed in terms of fuel regression rate $r_f$ vs $G_{Ox}$ , showed $G_{Ox}$ induces an increase of $r_f$ , in a way confrontable with literature results. Under the investigated operating condition, increasing chamber pressure increases $r_f$ up to 10 $bar$, while passing from 10 to 13 $bar$ does not affect significantly $r_f$. A new data reduction technique was tested and optimized, during the experimental campaign. In the optimization process the ignition delay was evaluated. These values of ignition delay were compared with those evaluated by a simplified analytical model. Results showed a good agreement between trends of optimized and analytical ignition delay.

Nell’ambito della propulsione spaziale si parla di motori a propellenti ibridi quando l’ossidante ed il combustibile si trovano in stati di aggragazione diversi. Il lavoro oggetto di questa tesi si propone di studiare la balistica di alcune formulazioni di combustibili a base di HTPB (polibutadiene a terminazione idrossilica) per la propulsione di tipo ibrido, sfruttando l’impianto sperimentale approntato presso il Laboratorio di Propulsione Spaziale (SPLab) del Politecnico di Milano. Il combustibile è stato testato in prove di combustione a pressioni di esercizio variabili tra 7 e 13 bar, e flussi di ossidante compresi tra i 40 e i 70 NLpm, fluente in un porto di 4 mm di diametro iniziale. La balistica espressa in termini di velocità di regressione $r_f$ in funzione del flusso specifico di ossidante G_{Ox} ha mostrato come r_f si incrementi all'aumentare di G_{Ox} in accordo con i risultati noti in letteratura. L'aumento di pressione nell'intervallo sperimentale indagato, produce fino a 10 bar un incremento della velocità di regressione r_f, al di sopra di questo valore la pressione non altera in maniera sensibile le proprietà balistiche del combustibile. Nel corso delle indagini sperimentali si è testata e ottimizzata la tecnica di riduzione dei dati sviluppata da $SPLab$, che consente di valutare la balistica quasi stazionaria del combustibile, attraverso il campionamento del diametro del campione nel tempo. Si è quindi sviluppata una procedura per la riduzione dei dati, che fornisce un valore di tempo del ritardo di accensione, definito ottimizzando la calzatura dei dati sperimentali. I valori di tempo di ignizione, derivati da un modello analitico semplificato sono stati messi in relazione con quelli ottenuti dalle procedure di ottimizzazione, mostrando un buon accordo qualitativo fra i risultati della sperimentazione e i dati analitici.