Experimental investigation of a micro hybrid thruster in DLR SchoolLab

This thesis work places itself into the hybrid space propulsion, in particular we focus on the theoretical study and the development of a measurement chain suitable to the realization of an experimental campaign to study the real behavior of a Hybrid micro rocket engine in the context of the DLR Lampoldshausen School Lab. We propose to better understand the blow down process and to measure pressure and temperature in different configurations, then to compare the empirical results to the theory. The results obtained may be used as starting point and as a comparison for the following experimental campaigns. Afterwards, we propose to perform a firing test campaign in order to characterize the behavior of the thruster under the sphere of tests reproducibility, regression rate during time and along the length of the fuel package.

Il lavoro di tesi che si va a presentare tratta dell’esperienza lavorativa avuta al Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) di Lampoldshausen nel periodo tra marzo e settembre 2012 sotto la supervisione di mr. Wolfgang Kitsche. Il progetto si colloca nell’ambito della propulsione ibrida spaziale come miglioramento di un progetto precedente sviluppato nello stesso centro di Lampoldshausen. A tal proposito si è studiato il comportamento, per quanto concerne misure di temperatura, pressione e spinta durante il comportamento di un piccolo propulsore ibrido alimentato a N2O e polietilene, in diverse configurazioni di utilizzo riguardanti in particolare la dimensione del fuel package, con un nuovo banco prova ed una nuova catena di misurazione. Nel capitolo due viene introdotta la teoria alla base della propulsione ibrida e si descrivono i passi che storicamente hanno portato allo stato dell’arte attuale. Nel terzo capitolo si presenta il lavoro effettuato, in particolare il propulsore (thruster), con una descrizione di tutti i componenti che lo formano come dei materiali utilizzati come combustibile ed ossidante. Nel quarto e quinto capitolo vengono presentate le grandezze fisiche misurate nelle diverse configurazioni di utilizzo; si descrivono inoltre la catena di misura ed i sensori che sono stati adottati al fine di ottenere i dati desiderati. All’interno del capitolo sei viene introdotto il blow down process cioè il comportamento "a freddo" senza che avvenga il processo di combustione, si procede quindi alla descrizione dei vari tentativi effettuati per modellizzare tale processo fisico per quanto riguarda l’andamento nel tempo della pressione all’interno della camera di combustione, temperatura del gas e spinta erogata. Nell’ottavo capitolo si espongono modalità e risultati della campagna sperimentale condotta (firing tests campaign) confrontando i dati ottenuti con i documenti trovati in bibliografia. Il nono capitolo contiene una lista delle problematiche più frequenti capitate durante le prove sperimentali, e gli accorgimenti necessari ad evitarle. L’ultimo capitolo presenta le conclusioni e i possibili sviluppi futuri