Ballistics of innovative solid fuel formulations for hybrid rocket engines

Ballistics of solid fuel formulations for hybrid propulsion was investigated with experimental and numerical approaches. Experimental activity was conducted by a lab-scale 2D radial burner enabling visualization of the combustion process. A non intrusive, optical time-resolved technique for regression rate measurement was designed and validated. Combustion tests were performed for relative ballistic grading of different fuel formulations and for investigation of hybrid fuel ballistics under forced transient regime. For the relative ballistic grading, combustion tests were performed on fuel formulations based on HTPB (Hydroxyl Terminated PolyButadiene) and SW (Solid paraffin Wax) with chamber pressure ranging from 7 to 16 bar, under oxygen with initial mass flux of nearly 400kg/(m^2s). Under the investigated conditions HTPB exhibited a regression rate dependent from oxidizer mass flux but not influenced from chamber pressure. HTPB was considered as baseline for relative ballistic grading of the investigated fuels. SW based fuels exhibited a marked dependence of regression rate from chamber pressure. With respect to baseline at an oxidizer mass flux of 300kg/(m^2s), regression rate enhancement for SW burning decrease from 500% to 260% when chamber pressure is increased from 7 to 16 bar. Commercial and lab–scale energetic additives of different kind and particle-size were used for solid fuel loading. Considering commercially available additives, different variants of nano-sized aluminum powder (ALEX) and micron-sized magnesium-boron (MgB) powders were tested. Under the investigated conditions, tested ALEX exhibited a marked regression rate increase with respect to baseline for high oxidizer mass fluxes [up to 80% at 350 kg/(m^2s) for fluoroelastomer alcohol-coated powder]. Nevertheless due to high sensitivity to oxidizer mass flux, this performance enhancement is lost during combustion. A remarkable exception is the fluoropolymer-coated nano-sized aluminum (VF–ALEX). This additive can provide a significant regression rate increase over the whole oxidizer mass flux range, providing an average regression rate enhancement with respect to baseline of 30%. Considering MgB powders, MgB90 (20% Mg) can provide significant regression rate enhancement of 64% for oxidizer mass fluxes of 350kg/(m^2s). HTPB doped with this additive is less sensitive than the ALEX-doped counterpart to oxidizer mass flux changes. With SW-based fuels promising high performance without granting mechanical properties, regression rate enhancement achievable by HTPB-based solid fuel loaded with MgB and VF-ALEX offers interesting possibilities for hybrid propulsion development. Ballistic characterization of a HTPB-based fuel loaded with aluminum hydride (AlH3) was conducted under pure oxygen and under an oxidizing mixture 70% oxygen+30% nitrogen. Test conducted in presence of nitrogen exhib-ited a regression rate enhancement with respect to baseline that was not achieved when conducting similar tests in oxygen. Investigation of hybrid solid fuel ballistics was conducted also by a numerical approach aiming to the determination of the regression rate of the solid fuel grain under convective heat transfer regime. Analysis focused on HTPB burning in gaseous oxygen. The proposed approach is based on the definition of effective values of thermophysical parameters considered for the determination of parameters of interest as Reynolds number (Re) and convective heat transfer coefficient. Effective values are determined considering the actual, instan-taneous oxidizer to fuel ratio determined during the experimental sessions. With the proposed approach the convective model can properly estimate the experimental regression rate for mass flux values above 280 kg/(m^2s), with a difference with respect to experimental data of 10%. For lower oxidizer mass fluxes higher differences between experimental and numerical values are achieved. Under the investigated conditions this result underlines the relative importance of radiative heat transfer in the heat feedback from flame to the regressing surface for low values of oxidizer mass flux (in turn inducing a reduced convective heat transfer). Investigation of hybrid fuel ballistics under forced transient condition was performed considering HTPB burning with oxidizer mass flow throttling during combustion. In particular, during the combustion tests oxidizer mass flow was throttled down in a first transient leg followed by a second transient leg in which oxidizer mass flow rate was increased. Under the investigated conditions during the throttling down transient, regression rate exhibits a monotone decrease of regression rate with no marked overshoot/undershoot phenomena. The throttling up transient is characterized by a regression rate increase possibly yielding to overshoot phenomena. The latter could be caused by thermal lag effects in the solid phase. Nevertheless, under the investigated conditions, HTPB behavior revealed an intrinsic stability in transient phases related to throttling events.

La balistica di formulazioni di combustibile solido per la propulsione spaziale di tipo ibrido è stata studiata con metodi sperimentali e numerici. L’attività sperimentale è stata condotta utilizzando un bruciatore radiale 2D, il quale consente la visualizzazione diretta del processo di combustione. La velocità di regressione del combustibile solido è stata determinata sulla base di una tecnica di misura “time-resolved” studiata e validata nell’ambito del lavoro di tesi. Le prove di combustione sono state eseguite su formulazioni di combustibile a base di HTPB (polibutadiene a terminazione idrossilica) e SW (cera di paraffina solida) utilizzando ossigeno gassoso quale ossidante, con pressioni in camera di combustione nell’intervallo 7-16 bar e flussi specifici di ossidante iniziali di circa 400 kg/(m^2s). Nelle condizioni sperimentali investigate, il combustibile di riferimento (HTPB) ha mostrato una velocità di regressione influenzata principalmente dalla portata specifica di ossidante e poco dipendente dalla pressione in camera di combustione. Le formulazioni a base di paraffina solida hanno mostrato elevate velocità di regressione, superiori a quelle di HTPB sull’intero intervallo sperimentale, ma negativamente influenzate dal valore di pressione in camera di combustione. Per valori della portata di ossidante di 300 kg/(m^2s), l’incremento di velocità di regressione maggiore è infatti passato dal 500% al 260% rispetto al valore della baseline per un incremento di pressione in camera di combustione da7 a16 bar. Additivi energetici commerciali e non sono stati testati sia sulla matrice paraffinica che su quella a base polimerica. In particolare, risono testati sia additivi di dimensione nano-metrica, che polveri micrometriche. Per quanto concerne gli additivi nano-metrici si sono testate diverse polveri di alluminio nano-metrco (ALEX), sia ricoperte e che non ricoperte. Mentre, fra gli additivi micrometrici testati vi sono polveri di magnesio-boro (MgB) e idruro di alluminio. Le migliori prestazioni in termini di massimo incremento della velocità di regressione istantanea sono state conseguite mediante l’uso di polveri nano-metriche di alluminio ricoperte (F-ALEX), capaci di fornire, a 350 kg/(m^2s), un incremento dell’80% rispetto alla formulazione di riferimento. Tuttavia queste polveri risultano caratterizzate da una marcata sensibilità alle variazioni del flusso ossidante, che ne abbattono le prestazioni per bassi valori dello stesso. Un’interessante eccezione è rappresentata dalle polveri nano-metriche di alluminio ricoperte con fluoropolimero (VF-ALEX), capaci di incrementare la velocità di regressione sull’intero intervallo sperimentale, fornendo un incremento medio del 30% rispetto ad HTPB non caricato. Prestazioni altrettanto interessanti sono state fornite da polveri di magnesio-boro, MgB90 (20% Mg). Queste ultime, per un flusso di ossidante di 350 kg/(m^2s) hanno permesso di conseguire incrementi della velocità di regressione del 64% rispetto alla formulazione di riferimento, presentando al contempo una moderata sensibilità alle variazioni del flusso di ossidante. Prove svolte su HTPB caricato con idruro di alluminio in ossigeno puro hanno mostrato una scarsa influenza di questo additivo (non disponibile a livello commerciale) sulla velocità di regressione. Prove svolte sulla stessa formulazione combustibile effettuate in miscela ossigeno-azoto in rapporto 70%-30% hanno invece mostrato un significativo incremento della velocità di regressione rispetto alla formulazione di riferimento testata in analoghe condizioni operative. La balistica di HTPB in ossigeno gassoso è stata investigata anche per via numerica mediante un modello semiempirico per la valutazione della velocità di regressione in regime puramente convettivo. L’approccio proposto si basa sulla definizione di alcuni valori efficaci delle grandezze fisiche di interesse per la valutazione dello scambio termico convettivo. Tali grandezze sono definite sulla base del valore del rapporto di miscela (O/F) istantaneo valutato per le prove sperimentali svolte. Il modello così approntato ha consentito di stimare la velocità di regressione della formulazione in esame con uno scarto del 10% per flussi specifici di ossidante superiori ai 250 kg/(m^2s), mentre per flussi specifici di ossidante inferiori le prestazioni del modello decadono, portando a sottostimare la velocità di regressione. Quest’ultimo risultato testimonia l’importanza del contributo di scambio termico radiativo nel processo di combustione dei sistemi ibridi per bassi valori del flusso di ossidante (a loro volta causa del ridotto scambio termico per via convettiva). L’ultima parte del lavoro ha riguardato lo studio della risposta dei sistemi ibridi a transitori del flusso specifico di ossidante. In particolare, nelle prove svolte la portata massica di ossidante è stata fatta variare durante la combustione. In un primo transitorio si è ottenuta una diminuzione della portata massica. Successivamente il sistema è stato sottoposto ad un aumento della portata massica di ossidante. Durante la prima fase di la risposta del sistema ha mostrato una monotona diminuzione della velocità di regressione, in assenza di fenomeni di sovra- o sotto-elongazione. Nel secondo tratto transitorio, invece, si sono osservate possibili sovra-elongazioni nella velocità di regressione. Queste ultime sono probabilmente dovute a ritardi termici nella fase condensata.