Effetti della geometria del grano in un micro-combustore per la propulsione spaziale ibrida.

Objective of this thesis is the study of the ballistic properties of HTPB (Hydroxyl Terminated Poly-Butadiene) fuels for hybrid space propulsion. The experimental investigation has entirely been developed using test facilities of the Space Propulsion Laboratory (SPLab) of Politecnico di Milano. Different geometries of the grain have been investigated for the same fuel formulation. Geometries of the strands differ each other for the initial diameter of the port (4 and 6 mm) and for the radial web thickness (4, 6 and 7 mm). This analysis has been made in order to evaluate the influence of these parameters on the ballistics of the fuel formulation. A proprietary time-resolved technique has been used for regression rate evaluation. In order to ensure quality of the measurements, ad-hoc ignition delays have been evaluated and compared with the value from analytic model (Ohlemiller and Summerfield). Instantaneous regression rate evaluated by time resolve technique have been checked by TOT (Thickness Over Time) technique. The common law (Marxman’s model) used to approximate the instantaneous regression rate does not correctly work for approximation at high oxidizer mass fluxes. Discrepancies between 7 and 14 % has been noted under the investigated conditions. This deviation decreases or it is absent for low-flow tests. Under the investigated conditions, Reynolds number was related with oxidizer mass flux, regression rate and sample diameter. The tests, evaluated in low-flow, with an internal diameter of 4 mm shows a maximum difference of the Reynolds numbers of about 8 %, while tests with initial diameter of 6 mm exhibit a difference of about 5 %. Regression rate and Reynolds number show similar trends in time and oxidizer mass flux: both this parameters decrease while time increases or oxidizer mass flux decreases. Samples with a 4 mm port, Reynolds number 11000 and volumetric oxidizer mass flow 70 Nlpm showed a maximum difference between evaluated regression rates of about 25 %, while, under the same tests conditions, the strands with a 6 mm initial port are characterized by a difference about 5 %. Effects of solid fuel grain geometry and operating conditions have been investigated: a similarity model for performance scaling has been applied with the aim of better understanding the physical phenomena of hybrid combustion process. Under the investigated conditions, using oxidizer mass flux and sample diameter as similarity parameters, regression rate exhibited a trend similar to the one of the inverse power of instantaneous sample diameter.

Scopo di questo lavoro di tesi è fornire una caratterizzazione balistica di una formulazione di combustibile a base di HTPB (Polibutadiene a Terminazione Idrossilica) per la propulsione spaziale ibrida. L’indagine sperimentale è stata svolta interamente presso il Laboratorio di Propulsione Spaziale (SPLab) del Politecnico di Milano. A parità di formulazione sono state investigate geometrie diverse del grano che si differenziano per il diametro iniziale del porto (4 e 6 mm) e per lo spessore radiale del grano combustibile (4, 6 e 7 mm), al fine di valutare l’influenza di questi parametri sulla balistica della formulazione. L’utilizzo di una tecnica di misura che consente di studiare l’evoluzione temporale dei parametri balistici, ha mostrato che la velocità di regressione decresce al diminuire del flusso specifico di ossidante. Di particolare interesse, al fine di garantire la qualità delle misure, risulta essere la valutazione del ritardo di accensione del combustibile e del primo dei diametri misurati. Verifica dei valori istantanei della velocità di regressione è stata ottenuta utilizzando la tecnica TOT (Thickness Over Time). Si è osservato che le leggi normalmente usate nell’ambito della valutazione della velocità di regressione (modello di Marxman) non consentono di approssimare correttamente l’andamento della velocità di regressione ad alti flussi specifici di ossidante, registrando scostamenti che, nelle condizioni investigate, hanno raggiunto valori del 14 %. Tale scostamento diminuisce o è assente per prove a basso flusso. Nelle condizioni operative investigate il numero di Reynolds è stato correlato con il flusso specifico di ossidante, la velocità di regressione ed il diametro istantaneo del campione. Per bassi flussi di ossidante, le prove con porto da 4 mm presentano uno scostamento percentuale massimo del numero di Reynolds dell’ 8 % rispetto al 5 % circa ottenuto con le prove con porto da 6 mm. Un’ulteriore analisi ha mostrato che la velocità di regressione diminuisce al diminuire del numero di Reynolds, mentre si ha un incremento del diametro del porto nelle medesime condizioni. In particolare, a parità di flusso volumetrico di ossidante (70 Nlpm) e di numero di Reynolds (Re=11000), le prove con porto da 4 mm hanno mostrato una differenza massima tra le velocità di regressione del 25% circa, mentre per le prove con porto da 6 mm questa differenza è stata del 5 % circa. Nel corso del lavoro sono state investigate gli effetti della geometria del grano solido e delle condizioni operative: modelli di similitudine per la scalabilità delle prestazioni sono stati applicati con l’obiettivo di migliorare la comprensione dei fenomeni fisici alla base del processo di combustione dei sistemi ibridi. Nelle condizioni investigate, usando come parametri di similitudine il flusso specifico di ossidante ed il diametro istantaneo, la velocità di regressione ha mostrato un legame di proporzionalità inversa rispetto al diametro del campione.