Viscosity and regression rate measurements of paraffin based hybrid solid fuels

Hybrid rocket systems have been studied and experimented with since the 30s in Russia, Austria and Germany. In hybrid rocket engines the propellant is stored into two different aggregation states: solid and liquid (or gaseous). Typical configuration is the so-called "direct hybrid" in which the fuel is solid and the oxidizer is liquid or gaseous. Another configuration is possible, even if less used, with solid oxidizer and liquid fuel. This configuration is called "reverse hybrid". Due to its particular storage configuration, hybrid propulsion combines the advantages of liquid and solid propellants. Its main characteristics are: safety, due to the separately storage of fuel and oxdizer the possibility of explosion or detonation during fabbrication, storage and operation is really low; possibility of multiple shut on and shut off; low costs compared to liquids due to the relative simplicity of the system; higher specific impulse than solid rocket motors. Despite all these advantages hybrid propulsion has some important limitations: due to rough combustion process, the combustion efficiency is lower with respect to solid and liquid propellants; time variation of key-parameters complicates the effective control of the thrust; the thrust is limited by low regresion rate values. The latter is the mainly studied shortcoming and different solutions have been proposed to overcome this problem. Most effective solution is to use a new class of fuels in hybrid rockets. This fuels are called "lyquefying fuels" due to the fact that they produce a liquid layer on their surface during the combustion process. The instability of the liquid layer leads to the entrainment of liquid droplets from the melt leyer as additional mass transfer. This phenomenon increases the regression rate of 2-5 times with respect to classical hybrid fuels as HTPB. In this work a special group of liquefing hybrid propellants is studied. The attention is focused on wax-based fuels. Since the regression rate is strongly dependent on the viscosity of the melt leyer, the rheological behavior of the different waxes has been characterized measuring their viscosity at different temperatures and shear rates. Waxes have been studied both pure and with some additives. Additives change the rheological behavior of the wax, in particular adding carbon black leads to a non-Newtonian behavior of the melted wax. Correlation between the percentage of carbon black and non-Newtonian behavior is also investigated in this work. The regression rate of waxes has been measured by means of a 2D slab burner at test complex M11 at DLR Lampoldshausen. Waxes have been tested at constant oxidizer mass flow (53 g/s) and at ambient pressure. Burning tests have been performed on pure waxes and on mixtures of 88% wax, 10% stearic acid and 2% carbon black. Results show the link between the regression rate and the viscosity of the wax. Higher is the viscosity, lower is the instability of the melt leyer and so the regression rate. It is found that paraffin waxes have the highest regression rate. Results of burning tests are then qualitatively compared with data found at SPLab at Politecnico di Milano.

Nonostante siano nati nello stesso periodo di solidi e liquidi, i sistemi a propulsione ibrida sono stati i meno studiati ed utilizzati. I primi studi inerenti a questa configurazione risalgono alla prima metà degli anni ’30 e hanno avuto luogo in Russia, Austria e Germania. Gli esperimenti hanno poi preso piede anche negli stati uniti, dove si è recentemente arrivati al volo di SpaceShipOne, uno spazioplano suborbitale propulso con HTPB e monossido di azoto (N2O). Nei sistemi a propulsione ibrida il combustibile e l’ossidante sono immagazzinati in due diversi stati di aggregazione: uno solido e l’altro liquido o gassoso. La configurazione più comune prevede combustibile solido e ossidante liquido (o gassoso), non mancano però studi sui cosidetti ibridi inversi in cui è l’ossidante ad essere solido mentre il combustibile è liquido. Grazie alla loro particolare configurazione, i sistemi ibridi combinano alcuni vantaggi sia dei sistemi a propulsione solida che di quelli a propulsione liquida. In essi infatti lo stoccaggio separato di combustibile e ossidante rende molto improbabile la possibilità di accensioni accidentali ed esplosioni. Hanno inoltre il grande vantaggio di permettere spegnimenti e riaccensioni multiple, permettono di modulare la spinta, hanno costi inferiori e sono più semplici rispetto ai sistemi a liquido, e l’impulso specifico presenta valori più elevati se comparati ai propellenti solidi. Nonostante tutti questi vantaggi, i sistemi a propulsione ibrida hanno alcune grosse limitazioni che hanno fatto sì che il loro studio ed utilizzo sia stato messo da parte durante gli anni. La loro combustione risulta infatti essere alquanto ruvida, questo porta ad una bassa efficienza di combustione (circa 95%), inoltre la variazione nel tempo di importanti parametri, quali i valori di O/F e la geometria del porto, rende complesso l’effettivo controllo della spinta. Un altro importante difetto sono i bassi valori di velocità di regressione che limitano la spinta. Il problema legato alla velocità di regressione è il maggiormante studiato e diverse soluzioni sono state proposte al fine di risolverlo: l’aggiunta di additivi energetici, l’incremento della turbolenza del flusso e l’utilizzo di combustibili detti bassofondenti. Quest’ultimo è risultato essere il più efficace: i combustibili bassofondenti infatti, durante la combustione, formano uno strato liquido sulla superficie del combustibile solido che causa il fenomeno di entreinment. A seguito di instabilità dello strato liquido dovute al flusso di ossidante, delle gocce di combustibile vengono staccate dalle creste delle onde di instabilità e vengono trascinate nel flusso di ossidante. Questo fenomeno aumenta la velocità di regressione, facendola arrivare a valori 2-5 volte superiori rispetto a quelli dei combustibili ibridi classici come l’ HTPB. Nel presente lavoro è studiato e discusso un gruppo di combustibili appartenti alla classe dei combustibili bassofondenti: le cere paraffiniche. Dal momento che la velocità di regressione risulta strettamente correlata alla viscosità dello strato liquido, è stato caratterizzato il comportamento reologico di diversi tipi di paraffine, di una cera microcristallina e di una cera con additivi precedentemente inseriti dal produttore. La viscosità è stata misurata sia per le cere pure che per miscele con additivi di diversa tipologia (alluminio, acido stearico e carbon black). Gli additivi cambiano in maniera significativa l’andamento della viscosità delle cere, aumentandola nella maggior parte dei casi. La presenza di carbon black inoltre porta la miscela ad avere un comportamento non-Newtoniano, il che comporta che la viscosità non risulti più costante al variare del gradiente di velocità. Sono stati inoltre eseguiti dei test in camera di combustione, al fine di misurare la velocità di regressione del combustibile. I test sono stati eseguiti presso il complesso M11 del centro di ricerche DLR a Lampoldshausen. Sono state sottoposte a test di combu- stione sia cere pure che in miscela con 10% acido stearico e 2% carbon black. I risultati sono quindi stati confrontati con i dati ottenuti dalla caratterizzazione balistica delle stesse cere eseguita nel laboratorio SPLab del Politecnico di Milano.