Innovative fuel formulations for hybrid rocket engines: mechanical, thermal and ballistic characterization

This research project, performed at the Aerospace Engineering Department of Politecnico di Milano from 2009 to 2011, is focused on the development of innovative solid fuels for hybrid rocket propulsion (fuel in solid state, oxidizer in liquid or gaseous state). Different strategies were followed and investigated in this work. The first one involves the filling of traditional fuels, such as HTPB (Hydroxyl Terminated Poly Butadiene) with metal powders, nano-sized (i.e. nano-Al), or metal hydrides (i.e. Magnesium hydride (MgH2) or Lithium Aluminum hydride (LiAlH4)). The second one is based on the investigation of fuels characterized by a low melting temperature, such as paraffin-based solid fuels. The third strategy, the more innovative one, involves the use of epoxy resins. Several tests, thermal (gasification, DSC and pyrolysis tests), optical (high speed video recording of pyrolysis process) and ballistic (regression rate measurement) were carried out in order to plug the gap about this new family of fuels. It is demonstrated that an epoxide group is much more reactive with Lithium Aluminum Hydride than with a hydroxyl group; the gasification process of an epoxy-based fuel is much faster than that of a HTPB-based fuel. Significant increases of the regression rates can be obtained, according to this approach, especially when metal hydrides are used to fill the compositions.

Il presente progetto di ricerca, svolto presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale del Politecnico di Milano dal 2009 al 2011, è focalizzato sullo sviluppo di combustibili solidi innovativi per propulsione di tipo ibrido (combustibile solido, ossidante liquido oppure gassoso). Differenti strategie sono state seguite in questo lavoro. La prima riguarda la miscelazione di combustibili tradizionali, come HTPB (Hydroxyl Terminated Poly Butadiene) con polveri metalliche (i.e. nano-Al), oppure idruri metallici (i.e. Magnesio Idruro (MgH2) o Litio Alluminio Idruro (LiAlH4)). La seconda si è basata sullo studio di combustibili caratterizzati da una bassa temperatura di fusione, come i combustibili a base di paraffine. La terza strategia di ricerca, quella più innovativa, ha coinvolto l’uso di resine epossidiche. Molti esperimenti, termici (DSC, gassificazione e pirolisi), ottici (processi di pirolisi registrati mediante fotocamere ad alta velocità) e balistici (misura della velocità di regressione) sono stati svolti per comprendere il piu possibile riguardo questa nuova famiglia di formulazioni. I risultati dimostrano che il gruppo epossidico è molto più reattivo nei confronti del Litio Alluminio Idruro di quanto non sia il gruppo ossidrilico; il processo di gassificazione di un combustibile epossidico è molto più veloce di quello di un combustibile tradizionale a base di HTPB. Incrementi significativi della velocità di regressione sono stati così ottenuti, specialmente utilizzando idruri metallici come additivi energetici per le formulazioni studiate.