Balistica di combustibili solidi metallizzati per la propulsione spaziale ibrida

This work investigates the ballistics of solid fuels for hybrid space propulsion. Fuel formulations based on Hydroxyl-Terminated PolyButadiene (HTPB) and loaded with different micron-sized metal powders were examined. The tested fuel were loaded with magnesium-boron (MgB), or activated-aluminum (A-Al) powders. The tested MgB powders have different Boron purity (ranging from 90% to 95% respectively for MgB90 and MgB95 powders) and different Mg mass fraction in the additive (10%, 20% and 60%). Activated Aluminium powders differ for details in the manufacturing procedure. Manufactured fuels were tested by a lab-scale 2D radial burner at Space Propulsion Laboratory (SPLab) of Politecnico di Milano. The experimental tests were conducted on central-port perforated cylindrical samples. Data reduction was performed by a time-resolved technique for regression rate. This technique is based on strand central port diameter sampling from the recorded video of the performed runs. The relative ballistic grading of the tested formulations was conducted considering HTPB as baseline. Experimental tests were performed in Gaseous Oxygen (GOX), with combustion chamber pressure of 1.6 MPa, and initial mass flux of ~400 kg/(m2s). Under the investigated conditions, the experimental results showed increased regression rates with respect to baseline for all the tested formulations: Performance enhancement ranged from 36% to 134% for oxidizer mass fluxes of 300 kg/(m2s). Under the investigated conditions all formulations but two exhibited a regression rate enhancement with respect to baseline over the whole investigated oxidizer mass flux range. The exception are given by the formulation loaded with A-Al03 and the one loaded with MgB90 (10% Mg). The first formulation exhibited a regression rate decrease of 23% with respect to baseline for oxidizer mass fluxes lower than 250 kg/(m2s), the second one showed a reduced regression rate with respect to baseline over the whole investigated oxidizer mass flux range. Under the investigated conditions, for oxidizer mass fluxes of 300 kg/(m2s), HTPB loaded with MgB95 (20% Mg) had the best ballistic properties, with an increase of regression rate, relative to the baseline, of 134%. No significant differences were pointed out with respect to HTPB loaded with MgB95 (60%Mg). HTPB loaded with A-Al03 exhibited faint performance enhancement and demonstrated also high sensitivity to oxidizer mass flux changes. The work identified MgB90 (20% Mg) as an attractive candidate for performance enhancement of solid fuels for hybrid propulsion because of the achieved regression rate increase over the whole investigated range, and the low sensitivity to oxidizer mass flux changes.

Obiettivo della presente tesi è lo studio della balistica di combustibili solidi per la propulsione spaziale ibrida. Le formulazioni di combustibile investigate, a base di HTPB (Polibutadiene a Terminazione Idrossilica), sono state additivate con diverse polveri metalliche micrometriche. Nello specifico, sono state analizzate sette differenti formulazioni. In cinque di queste la matrice polimerica è stata additivata con polveri composite di Magnesio-Boro (MgB), nelle restanti due si è caricato il combustibile con polveri di Alluminio attivato. Le polveri di MgB testate si differenziano per purezza del Boro (90% e 95% rispettivamente per le polveri MgB90 e MgB95) e per la frazione massica di Mg all’interno dell’additivo (10%, 20% e 60%). Le polveri di alluminio attivato (A-Al01 e A-Al03) differiscono per dettagli del procedimento di attivazione. I combustibili manufatti sono stati testati tramite un micro-bruciatore radiale 2D. Le condizioni di prova adottate prevedono una pressione in camera di combustione di 16 bar ed una portata specifica iniziale di ~400 kg/(m2s). I campioni testati hanno geometria cilindrica, con un'unica perforazione centrale. La tecnica di riduzione dei dati adottata consente di descrivere l'evoluzione temporale della velocità di combustione durante la prova a fuoco. Base di tale tecnica è il campionamento del diametro centrale del porto dei campioni durante la combustione. La balistica relativa delle formulazioni indagate è valutata considerando un combustibile di riferimento a base di HTPB. Nelle condizioni sperimentali analizzate tutte le formulazioni mostrano incrementi di velocità di regressione rispetto alla baseline di HTPB che vanno dal 36% al 134% per portata di ossidante di 300 kg/(m2s). Nell’ambito delle condizioni operative analizzate, le formulazioni presentano un miglioramento prestazionale rispetto al riferimento nell’intero campo di portata di ossidante investigato, fatta eccezione per la formulazione additivata con A-Al03 (5%) e per quella caricata con MgB90 (10%Mg). La prima mostra un decremento di velocità di regressione del 23% rispetto alla baseline di HTPB per portate di ossidante inferiori a 250 kg/(m2s), la seconda risulta avere velocità di regressione ovunque più bassa rispetto alla baseline. Nelle condizioni operative esaminate, per una portata di 300 kg/(m2s), la formulazione che presenta maggior incremento percentuale di velocità di regressione è quella a base di HTPB caricato con MgB95 (20%Mg). L’aumento considerevole di velocità di regressione per le formulazioni a base di MgB, unito alla modesta dipendenza di queste ultime dalle variazioni di portata di ossidante, rendono questo additivo un promettente candidato per possibili futuri sviluppi in propulsione ibrida.