Enhancement ballistics of wax region composite fuels for hybrid rocket propulsion

The present work takes into account the realization and the study of a new kind of propellant for hybrid rocket propulsion through experimental methods. The ballistic investigation was done with a 2D radial laboratory-scale combustion chamber, designed in a particular way such that the real time visualization of the combustion process was always possible. The combustion chamber was designed referring to the already exhistent one at SPLab in Politecnico di Milano, and it was adapted for the desired aims, assembled and preliminarily tested in order to validate its functionality. The regression rate measurement was possible thanks to a non intrusive optical technique that was already developed and validated in previous studies in the laboratories of Politecnico di Milano. For the ballistic campaign three different kinds of paraffin based fuels were selected and investigated. Initially the physical properties of the selected waxes were determined, with particular attention at the melting point, density and viscosity. Referring to the melting temperature of the studied paraffins it was decided to name them as Wax #58, Wax #90 and Wax #110. Ballistic tests in the 2D radial combustion chamber were held at the pressure of 1MPa and gaseous oxygen as oxidizer at a mass flow rate of 210 nlpm. A commercial additive was chosen to load the propellant with the aim to increase its energetic content and so its performances. The selected additive was Macroporous Weakly Basic Anion Exchange Resin, a particular kind of Ion Exchange Resin, available in grains of different sizes. The polymer was therefore sifted and two grain sizes were selected for further tests. The family with the bigger grain size is in the range of 0.841 mm and 0.71 mm in diameter and it was named as “big” , while the family with the smaller grain size is in the range of 0.595 mm and 0.4 mm in diameter and it was named as “small”. Ad-hoc procedures were investigated and designed in order to realize the ballistic samples and in particular two main approaches were identified: an approach that is based on thermal effect and an approach based on mechanical effect. Studies on the examined waxes viscosity shown that Wax #58 wasn’t suitable for ballistic tests and it was discarded since in this kind of wax it was impossible to homogenously disperse the polymeric additive for percentages lower than the 40%, expressed in mass. Ballistic tests with this kind of sample shown the impossibility of this kind of sample to properly burn. The polymeric additive effect was therefore tested using Wax #90, studying the effects of the “big” polymer using percentages of 5%, 10% and 15% and the effects of the “small” polymer for percentages of the 5% and 10%. In every single test the Macroporous Weakly Basic Anion Exchange Resin shown to have positive effects on the performances of the tested fuel formulation and in particular the two most significant results are hereby reported: an increment of the 96.87% for the maximum value of the regression rate occurred in the case of 15% of “big” polymer while an increment of the 172.16% for the maximum value of the regression rate occurred in the case of 10% of “small” polymer.

Il presente lavoro prende in esame la realizzazione e lo studio di nuovi propellenti per la propulsione ibrida tramite metodi sperimentali. La sperimentazione inerente allo studio della balistica è stata condotta mediante l’ausilio di una camera di combustione radiale, su scala da laboratorio, progettata in modo da rendere possibile la visualizzazione del processo di combustione in tempo reale. La camera di combustione è stata realizzata sulla base di quella già esistente presso il laboratorio SPLab del Politecnico di Milano, è stata adattata per i fini correnti, assemblata in loco e preliminarmente testata per validarne la funzionalità. La misurazione della velocità di regressione del grano propellente è stata effettuata tramite una tecnica basata sull’osservazione ottica nel tempo e pertanto non intrusiva, la stessa tecnica era già stata sviluppata e convalidata in precedenti studi presso il Politecnico di Milano. La campagna di test ha preso in esame tre diversi tipi di propellenti a base di cera paraffinica. Si è provveduto in primo luogo a determinare le proprietà fisiche delle paraffine prese in esame, in particolare sono stati effettuati dei test preliminari per lo studio delle proprietà di maggiore interesse quali punto di fusione, densità e viscosità. Riferendosi alla temperatura di solidificazione delle paraffine prese in esame si è provveduto a identificare le stesse come Wax #58, Wax #90 e Wax #110. I test per la valutazione delle proprietà balistiche del propellente sono stati condotti tramite la camera di combustione radiale applicando una pressione nominale in camera di 10 bar, utilizzando ossigeno gassoso come ossidante con una portata massica di 210 nlpm. Un additivo commerciale è stato utilizzato per caricare il propellente con la prospettiva di aumentare il contenuto energetico e quindi le prestazioni del propellente stesso. L’additivo selezionato è Resina a Scambio Ionico, disponibile in grani di diverse dimensioni. Il polimero è stato pertanto setacciato e due granulometrie sono state selezionate per i successivi test. La famiglia a granulometria maggiore è compresa tra i 0.841 mm e i 0,71 mm di diametro ed è stata definita come “grande”, mentre la famiglia a granulometria inferiore è compresa tra i 0.595 mm e i 0.4 mm di diametro ed è stata definita come “piccola”. Procedure apposite sono state investigate e messe a punto per poter realizzare i campioni di cera da usare nei test balistici e in particolare due famiglie di procedure sono state identificate: una che sfrutta un processo termico mentre un’altra che sfrutta un processo meccanico. Studi sulla viscosità delle paraffine esaminate hanno tuttavia portato a scartare la cera definita come Wax #58 per i test balistici, in quanto in essa non è stato possibile disperdere omogeneamente l’additivo polimerico per percentuali inferiori al 40% in massa. Test balistici effettuati con questo genere di provino hanno dimostrato l’impossibilità dello stesso a bruciare correttamente. L’effetto dell’additivo polimerico è stato quindi testato usando Wax #90, studiando gli effetti di polimero “grande” in percentuali del 5%, 10% e 15% e gli effetti del polimero “piccolo” in percentuali del 5% e 10%. In ogni test l’utilizzo la resina a scambio ionico come additivo ha dimostrato avere effetti positivi sulle performance dei campioni in particolare si riportano i due maggiori effetti che sono stati un incremento del 96.87% rispetto al rateo di regressione registrato nel caso con polimero “grande” al 15% e un incremento del 172.16% registrato per polimero “piccolo” al 10%.