Effetti di transitori forzati sulla balistica di combustibili solidi in un micro-bruciatore radiale

This work focuses on the effects of forced transients on the ballistic response of direct hybrid systems based on Hydroxyl-Terminated PolyButadiene (HTPB), and burnt in gaseous Oxygen (GOX) by a 2D radial micro-burner. The solid fuel grain ballistics was investigated by a non-intrusive, time-resolved technique for regression rate (rf). The data reduction is based on an optical technique and was implemented at the Space Propulsion Laboratory (SPLab) of Politecnico di Milano. In particular, in the proposed time-resolved approach the strand central port diameters are sampled in time during the burning. In the proposed technique a crucial role is played by the ignition delay definition. Part of this experimental work was devoted to the validation of ad-hoc defined ignition delay (tign) implemented in the time-resolved technique. The validation was based on a comparison between the ad-doc defined ignition delay and the corresponding values identified by a literature model. Tests for the technique validation were performed under quasi-steady operating conditions, for initial oxidizer mass flux (Gox) of ~ 400 kg/(m2s) and combustion chamber pressures (pc) ranging from 4 to 16 bar. The agreement between the ad-hoc defined ignition delay and the corresponding model results was satisfactory. As a result of the experimental runs, ballistics of HTPB was found to be strongly dependent on oxidizer mass flux, with rf α Gox 0.8, and relatively independent from pc. In the second part of the work, the ballistic response of HTPB to forced transients with oxidizer mass flow throttling down was investigated. A time-resolved approach based on TOT (Thickness Over Time) was considered for the treatment of the burning legs with forced transient conditions. In the investigated conditions the oxidizer mass flow rate ( ) was decreased with and pc = 16 bar. In the investigated conditions, the solid fuel response to the forced transient yielded a non-monotonic regression rate decrease, characterized by faint oscillations.

Il presente lavoro di tesi indaga gli effetti di transitori forzati sulla risposta balistica di sistemi ibridi diretti a base di polibutadiene a terminazione idrossilica (HTPB) e ossigeno gassoso (GOX). L’indagine sperimentale è stata condotta presso il Laboratorio di Propulsione Aerospaziale (SPLab) del Politecnico di Milano, ove è approntato un micro-combustore radiale. La balistica del grano solido è stata investigata mediante una procedura di riduzione dati non intrusiva che consente di risolvere nel tempo la velocità di regressione (rf). La riduzione dati è basata su una tecnica ottica che prevede il campionamento nel tempo dei diametri del porto centrale del grano cilindrico testato. Nella riduzione dei dati un ruolo cruciale è svolto dal ritardo di accensione (tign) della formulazione testata. Nella tecnica implementata presso SPLab, questo parametro è valutato ad-hoc come quello che consente di massimizzare la calzatura nel tempo dei diametri campionati. I valori di tign così valutati sono quindi stati paragonati con il risultato di un modello di letteratura per la valutazione del ritardo di accensione in condizioni di riscaldamento convettivo della superficie del combustibile. In questa prima fase dell’indagine si è valutata la balistica quasi-stazionaria di formulazioni di combustibile a base di HTPB per pressioni in camera di combustione (pc) comprese fra i 4 e i 16 bar e portata specifica di ossidante iniziale di circa 400 kg/m2s. Nelle condizioni sperimentali investigate, il ritardo di accensione definito ad-hoc è risultato compatibile con quanto ottenuto dal modello utilizzato per la validazione dei risultati. Nelle condizioni sperimentali indagate, per HTPB si è ottenuta una rf α Gox 0.8 , e scarsamente influenzata dalla pressione. La dipendenza di rf dalla portata specifica di ossidante risulta in accordo con modelli di combustione turbolenta dei sistemi ibridi governati dallo scambio termico convettivo che si sviluppa fra la fiamma e la superficie di regressione. Nella seconda parte del lavoro di tesi si è valutata la risposta balistica del combustibile a base di HTPB a transitori forzati con riduzione di portata massica di ossidante ( ). Nelle condizioni sperimentali investigate, per transitori forzati con e pc = 16 bar, il combustibile risponde con una decrescita non monotona della rf. Le deboli oscillazioni osservate sono probabilmente legate al ritardo termico della fase condensata durante il transitorio forzato.