Production and characterization of metal-loaded armored grains for hybrid rocket propulsion

Hybrid rocket engines (HREs) offer attractive specific impulse performance and operational flexibility within a relatively simple architecture. However, implementing these systems in launch vehicles is traditionally hindered by a slow fuel regression rate. While liquefying fuel as paraffin wax can improve it by 3 to 4 times over standard pyrolyzing fuel, the poor mechanical strength makes it unsuitable for operational missions. The Armored Grain (AG) concept offer a solution for the limited mechanical properties by embedding a 3D-printed reinforcement structure within the liquefying fuel matrix. Both mechanical and ballistic performances are improved by the 3D-printed element. Furthermore, the performances of the AG can be further improved via the addition of energetic fillers as Aluminum (Al). In previous studies, micron sized Al was added to photocurable resins for Digital Light Processing (DLP) to realize metalized scaffold structures. This work leverage those analyses to develop new methods and procedures to increase the Al loading in the armor beyond the original 20 wt.%, assessing both mechanical and ballistic performance. A detailed characterization of the Al powder is performed, followed by an optimization of the resin slurries that allows to print and test armor with up to 40% Al mass fraction. Focusing on the ballistic behavior, the regression rate performance of the 20 wt.% Al formulation is increased by 11% compared to the non-metalized AG baseline, whereas the 40 wt.% Al formulation shows no improvement. Conversely, combustion efficiency exhibits a non-monotonic trend, while both the baseline and the 20 wt.% Al formulations feature an efficiency of 77%, the 40 wt.% Al formulation reaches 91%.

I motori a razzo ibridi (HRE) offrono prestazioni interessanti in termini di impulso specifico e flessibilità operativa all'interno di un'architettura relativamente semplice. Tuttavia, l'implementazione di questi sistemi nei veicoli di lancio è tradizionalmente ostacolata da una bassa velocità di regressione del combustibile. Sebbene i combustibili liquefacenti come la cera paraffinica possano migliorare il rateo di regressione da 3 a 4 volte rispetto ai combustibili pirolizzanti standard, la loro scarsa resistenza meccanica li rende inadatti per missioni operative. Il concetto dell'Armored Grain (AG, grano armato) offre una soluzione a queste limitate proprietà meccaniche integrando una struttura di rinforzo stampata in 3D all'interno della matrice di paraffina. L'elemento stampato in 3D migliora sia le prestazioni meccaniche che quelle balistiche. Inoltre, le prestazioni dell'AG possono essere ulteriormente ottimizzate attraverso l'aggiunta di materiali energetici come la polvere di alluminio (Al). In studi precedenti, l'Al micrometrico è stato aggiunto a resine fotopolimerizzabili per la stampa 3D con Digital Light Processing (DLP) al fine di realizzare strutture di supporto metallizzate. Il presente lavoro sfrutta tali analisi per sviluppare nuovi metodi e procedure atti a incrementare la frazione massica di Al all'interno dell'armatura oltre l'originale 20 wt.%, valutandone sia le prestazioni meccaniche che quelle balistiche. Viene eseguita una caratterizzazione dettagliata della polvere di Al, seguita da un'ottimizzazione delle formulazione delle resine caricate che consente di stampare e testare armature con una fino al 40 wt.% di Al. Concentrandosi sul comportamento balistico, la prestazione in termini di rateo di regressione della formulazione al 20 wt.% di Al aumenta dell'11% rispetto alla configurazione di base dell'AG non metallizzato, mentre la formulazione al 40 wt.% di Al non mostra alcun miglioramento. Al contrario, l'efficienza di combustione mostra un andamento non monotono: mentre sia la configurazione di base che la formulazione al 20 wt.% di Al presentano un'efficienza del 77%, la formulazione al 40 wt.% di Al raggiunge il 91%.