Methane for regenerative cooling purposes: a numerical and experimental investigation of cooling performances and related phenomena

Methane as a fuel has been drawing increasing interest in the space sector owing to its efficiency in terms of offered thrust performances compared to storing capabilities and strategic in-situ resource utilisation. Additionally, it lends itself to reusable system, whose development experienced a remarkable surge in the most recent years. However, fuel thermal decomposition in regenerative cooling systems may compromise such a char- acteristic and its related advantages. At the same time, additive manufacturing techniques for engine components realisation are progressively taking hold in the field. Regenera- tive cooling jackets cooling performances are strongly affected both by the coolant and channel surface roughness. The present study aims to investigate methane cooling per- formances through a Haynes230 additive manufactured rough channel as well as thermal cracking phenomenon effects on subsequent uses of the same apparatus. Experimental trials and numerical analysis have been conducted within MERiT framework, a research project focusing on methane characterisation for regenerative cooling in rocket nozzles, started in 2017 as a collaboration between KTH and GKN Aerospace and funded by the Swedish Space Agency, ESA (FLPP) and GKN. In the present work, the assessment of prediction accuracy of an industrial thermal correction model in numerically recreating the channel thermal field at different fluid flow conditions has been performed. Addi- tionally, a suited test campaign has been conducted to seize the effect of coking on heat transfer degradation in the test article, by comparing the experimentally retrieved heat transfer coefficients for similar test conditions previous and after a high temperature trial. The numerical prediction revealed sufficiently accurate for the lowest analysed mass flow rates. On the other hand, highest Reynolds number test points revealed to be affected by an higher uncertainty both related to the experimental conditions and the numerical modelling. The comparison between the coked and clean cases generally revealed an heat transfer degradation, possibly related to a coking layer formation. Nonetheless, these outcomes should be contextualised though further analysis.

Di recente, l’impiego del metano come combustibile sta suscitando un crescente inter- esse nel settore spaziale grazie all’elevata efficienza in termini di prestazioni di spinta, alla favorevole densità di stoccaggio e alle prospettive strategiche offerte dall’utilizzo di risorse in situ. Inoltre, esso si presta particolarmente alla riutilizzabilità dei lancia- tori, caratteristica che sta trovando sempre più spazio tra i sistemi di lancio. Tuttavia, la decomposizione termica del combustibile nei sistemi di raffreddamento rigenerativo può compromettere l’integrità degli stessi. Parallelamente, le tecnologie di manifattura additiva stanno trovando un crescente utilizzo per la realizzazione di componenti per propulsori aeronautici e spaziali. Le prestazioni di raffreddamento dei canali rigenera- tivi risultano fortemente influenzate sia dalle proprietà del fluido refrigerante sia dalla rugosità dei canali. Il seguente studio si presta ad analizzare tali proprietà di raffredda- mento in un canale rugoso realizzato in lega Haynes 230 mediante additive manufacturing, nonché gli effetti del cracking termico sui successivi riutilizzi dello stesso apparato. Prove sperimentali e analisi numeriche sono state condotte nell’ambito del progetto MERiT, inaugurato nel 2017 come collaborazione tra KTH e GKN Aerospace e finanziato da Swedish Space Agency, ESA (FLPP) e GKN, volto ad analizzare il metano come fluido refrigerante in sistemi di raffreddamento rigenerativo ad impiego spaziale. Le simulazioni numeriche sono state finalizzate alla valutazione dell’accuratezza di un modello indus- triale per la stima della correzione termica in presenza di superfici rugose. Inoltre, è stata condotta una campagna sperimentale per valutare l’effetto della formazione di coke sul degrado dell’assorbimento di calore, confrontando i coefficienti di scambio termico determinati sperimentalmente in condizioni operative comparabili prima e dopo un test ad alta temperatura. Considerate le incertezze associate alle condizioni sperimentali e alla modellizzazione, le simulazioni numeriche hanno evidenziato un’accuratezza ritenuta soddisfacente. Il confronto tra i casi con eventuale deposizione carboniosa e non, ha pre- sentatato possibili tracce di un eventuale degradazione termica. Tuttavia, tali riscontri dovranno essere ulteriormente contestualizzati mediante successive analisi.