Student hybrid thruster testing and research

In the context of space exploration, hybrid propulsion is currently one of the most promising techniques for the thrust generation. Often in the background respect to the liquid and solid propellants, hybrids combine together the advantages of both the successful methods placing itself in the middle in terms of performance, utilization and construction problems and economy. Several are presently the studies that are conducted on a wide range of hybrid propellants in order to characterized them for the future of the space exploration. And it is also what is done by the German Aerospace Centre (Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt - DLR) that, in the institute of propulsion in Lampoldshausen, Germany, is also dedicated to the research and development of hybrid propulsion. As part of this research is the present work, which took place in the M11 laboratory of the DLR – Lampoldshausen in collaboration with Politecnico of Milan, in order to study, understand and characterize the behavior of the micro hybrid thruster powered by nitrous oxide N2O and polyethylene terephthalate PET. In particular, the work here discussed includes a first part in which the system is studied and evaluated numerically according to the widely used techniques of computational fluid dynamics (CFD) using for the resolution of the turbulent flows and the calculation of the equilibrium of the reactants, the internal DLR software Tau code and NASA Cea. Noteworthy the construction of the mesh and the logic used in the numerical solution of the problem. At the numerical analysis then follows the experimental one, conducted through a series of tests which also makes use of advanced visualization techniques, such as infrared and schlieren, with the aim of comparing the results obtained in both cases and minimize the differences. It focuses on the exhaust gases leaving the nozzle, their structure and composition with even hints about thermodynamic properties of polyethylene terephthalate.

Nell’ambito dell’esplorazione spaziale, la propulsione ibrida è attualmente una tra le più promettenti tecniche per la generazione di spinta. Spesso in secondo piano a favore dei propellenti liquidi e solidi, più economici e di più semplice realizzazione gli ibridi coniugano insieme i pregi di entrambe le già diffuse metodologie di propulsione ponendosi nel mezzo in quanto a performance, problematiche di realizzazione e di utilizzo ed economicità. Molti sono ad oggi gli studi che vengono condotti sui più svariati propellenti ibridi al fine di caratterizzarli e renderli il futuro dell’esplorazione spaziale. Ed è quanto viene fatto anche dall’Agenzia Spaziale Tedesca (Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt - DLR) che, nell’istituto di propulsione di Lampoldshausen in Germania, si dedica anche alla ricerca e allo sviluppo della propulsione ibrida. Nell’ambito di questa ricerca si pone il presente lavoro di tesi che, svoltosi nel laboratorio M11 del DLR – Lampoldshausen ed in collaborazione con il Politecnico di Milano, ha lo scopo di studiare, comprende e caratterizzare il comportamento di un micro propulsore ibrido alimentato da ossido di diazoto N2O e polietilene tereptalato PET. In particolare la tesi qui discussa prevede una prima parte in cui l’intero sistema studiato viene valutato e analizzato numericamente secondo le ormai diffuse tecniche di fluidodinamica computazionale (CFD) utilizzando, per la risoluzione dei flussi turbolenti e il calcolo dell’equilibrio chimico dei reagenti, il software Tau code, sviluppato internamente al DLR, e NASA Cea. Da sottolineare la realizzazione della mesh e la logica utilizzata nella risoluzione numerica del problema. All’analisi numerica segue poi quella sperimentale, condotta attraverso una campagna di test che si avvale anche di tecniche di visualizzazione avanzata, quali quella ad infrarossi e schlieren, con lo scopo finale di comparare i risultati ottenuti nei due casi e minimizzare le differenze. Si pone l’attenzione sui gas esausti in uscita dall’ugello, sulla loro struttura e composizione con accenni anche riguardo alle proprietà termodinamiche del polietilene tereftalato.