Effetti del transitorio di ignizione sulla balistica di combustibili metallizzati per la propulsione ibrida

Objective of this Thesis is the relative ballistic grading of metal-loaded solid fuels for hybrid space propulsion. HTPB-based formulations containing nano-sized aluminum powders were examined, in order to evaluate additive effect on solid fuel regression rate. Influence of ignition transients on ballistic analysis was also evaluated. Experimental investigation was carried out at the Space Propulsion Laboratory of Politecnico di Milano (SPLab). Analysis was based on the recording and visualization of burning tests. Combustion tests were conducted on cylindrical fuel samples with a single central perforation, at a chamber pressure of 10 bar and a volumetric flow rate of 70 Nlpm of gaseous oxygen (corresponding to an initial mass flux of about 130 kg/m2s). Three formulations were studied, each containing 10% (by mass) nanosized aluminum powder (particle size 100 nm). One formulation was loaded with palmitic acid coated powder, to mitigate effects of the cold cohesion of powders and to improve processing and possibly enhance ballistic properties. Two more fuels were loaded with uncoated aluminum powder; the formulations were differentiated by the presence of carbon black in one and titanium oxide in the other. These additives were used with the aim of improving aluminum powder dispersion in the binder matrix by limiting cold cohesion effects. An analytical method developed at SPLab was used to determine solid fuel regression rate. During this work a numerical optimization technique, allowing an improvement in the quality of obtained data, was validated. As part of the development of this measurement technique, the effects of ignition transients on solid fuel ballistics were studied. In a cylindrical-geometry, single-perforation hybrid system, regression rate is a monotonically decreasing function of oxidizer mass flux (and of time) and the definition of the initial measurement point is of great importance for correctly evaluating ballistics. Using the developed technique and collected data, at the investigated operating conditions the fuel containing uncoated aluminum powder and carbon black showed a 17% increase in regression rate for an oxidizer mass flux of 60 kg/m2s and 47% at 80 kg/m2s, compared to pure HTPB fuel. The other two fuel formulations that were tested did not produce significant changes in regression rate.

Scopo di questo lavoro di Tesi è fornire una caratterizzazione balistica relativa di combustibili metallizzati per la propulsione spaziale ibrida. Si sono investigate formulazioni a base di HTPB, caricati con polveri nanometriche di alluminio per le quali si sono valutate la balistica e gli effetti sulla stessa del transitorio di accensione. L’indagine sperimentale, svolta presso il Laboratorio di Propulsione Spaziale del Politecnico di Milano (SPLab), si è basata sull’analisi delle riprese video della combustione di provini a geometria cilindrica a singola perforazione centrale, nelle condizioni operative di pressione in camera di 10 bar e portata volumetrica di ossigeno gassoso pari a 70 Nlpm (corrispondenti ad un flusso specifico iniziale di circa 130 kg/m2s). Sono state studiate tre formulazioni di combustibile, additivate con il 10% in massa di polveri nanometriche di alluminio (diametro nominale 100 nm). Una prima formulazione è stata caricata con una polvere rivestita con acido palmitico (per mitigare la coesione a freddo della polvere stessa migliorando la manifattura e, possibilmente, le proprietà balistiche). Altri due combustibili hanno impiegato una polvere non rivestita (uncoated); a distinguere queste due formulazioni è stata la presenza di grafite in un caso ed ossido di titanio nell’altro. Tali additivi sono stati utilizzati con l’intento di migliorare la dispersione della polvere di alluminio nella matrice legante, limitando gli effetti di coesione a freddo. La velocità di regressione è stata valutata tramite una tecnica analitica sviluppata in SPLab. Nel corso del lavoro è stato validato un metodo numerico di ottimizzazione della misura che ha permesso di migliorare la qualità dei dati ottenuti. Nell’ambito dello sviluppo della tecnica di misura proposta, si è effettuato uno studio sugli effetti prodotti dal transitorio di accensione sulla balistica delle formulazioni combustibili. In un sistema ibrido con geometria cilindrica a singola perforazione la velocità di regressione è una funzione monotona decrescente del flusso specifico di ossidante (e del tempo) e la definizione del punto di inizio misura è di grande importanza per la corretta valutazione della balistica. Con la tecnica sviluppata ed i dati raccolti, nelle condizioni operative indagate il combustibile contenente polvere di alluminio non rivestita e grafite ha mostrato un incremento della velocità di regressione, rispetto ad HTPB puro, del 17% a 60 kg/m2s di flusso specifico di ossidante e di 47% a 80 kg/m2s. Le altre due formulazioni testate non hanno invece prodotto variazioni sensibili della velocità di regressione.