Modello di calcolo della balistica interna di endoreattori a propellente ibrido

Internal ballistic models are required to design an hybrid rocket motor, in order to predict and test its performance; these models need to be efficient, reliable and able to simulate real phenomena. In this work the main ballistic parameters of an hybrid rocket engine are evaluated with a one-dimensional unsteady internal ballistic model. The code developed has been arranged to work with different types of engines, with pre/post mixing chamber and one combustion chamber, where propellant consists of a solid fuel grain and gaseous oxidizer. The internal ballistic model is the combination between a zero-dimensional unsteady code and a one-dimensional stationary scheme: the first one identifies the progress in time of the non-dimensional variables, such as temperature, pressure and internal volume; the second one solves the longitudinal distribution of the fluid-dynamic variables (Mach, density, pressure, temperature) and the grain regression rate. The thermo-chemical properties of the mixture are evaluated through the equilibrium in the combustion chamber and then listed in function of pressure and mass mixture ratio. The internal ballistic model was developed according the results obtained experimentally with smaller engines, adopting the propellant couple HTPB/O2. The comparison between experimental and numerical values gives good results in terms of average ballistic engine parameters, and thrust and pressure curves with time. Having a short computation time, the code developed during this work can be used also for statistical analysis.

Il progetto di un endoreattore a propellente ibrido richiede l'ausilio di modelli di balistica interna in grado di testare e predire le prestazioni di un motore, con efficienza, efficacia e ridotti tempi di calcolo. In questo lavoro è stato sviluppato un modello di balistica interna mono-dimensionale non stazionario per trattare una vasta gamma di motori a propellente ibrido. Il codice è stato messo a punto per propulsori costituiti da: una camera di combustione, una pre/post camera di miscelamento, un grano combustibile solido e una specie ossidante gassosa iniettata in pre-camera (il modello può funzionare anche in configurazione inversa). Il codice di balistica interna è strutturato in due sotto-modelli interagenti tra loro: un solutore zero-dimensionale non stazionario e un solutore mono-dimensionale stazionario. Il primo determina l'avanzamento nel tempo delle variabili globali (0D) del motore, quali la temperatura, la pressione, il volume interno. Il secondo calcola, a tempo fissato, la distribuzione longitudinale delle variabili fluidodinamiche del gas (Mach, densità, pressione, temperatura) e della velocità di regressione del grano. Le caratteristiche termo-chimiche della miscela gassosa sono valutate attraverso l'equilibrio chimico in camera, e poi tabulate in funzione della pressione e del rapporto di miscela. Attraverso il modello di balistica interna sono state simulate le prove a fuoco di motori di piccola taglia che adottano la coppia propellente HTPB/O2, e di cui si dispone di misure sperimentali. Il confronto tra i risultati numerici e quelli sperimentali ha prodotto ottimi risultati in termini di parametri balistici medi del motore (pressione, portata di ossidante, rapporto di miscela, diametro, etc.), e buona concordanza sugli andamenti di pressione e di spinta nel tempo. Essendo caratterizzato da una elevata velocità di calcolo, il modello di balistica interna sviluppato in questo lavoro può essere utilizzato anche per analisi di tipo statistico.