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Ballistic Characterization of Armored Grains with Vortex Flow Pancake Hybrid Rocket Engine
No full textThis work deals with a combustion behavior assessment of paraffin and paraffin-based fuels burning in a vortex flow pancake (VFP) hybrid rocket engine. Blending of paraffin wax with reinforcing polymer is a commonly implemented strategy pursuing the design of fuels with fast enough regression rate and suitable mechanical properties. Being the wax regression rate strictly related to the entrainment of melted fuel droplets, blending has the drawback of limiting the solid fuel ballistic response. A new reinforcing strategy based on 3D-printing of scaffold structures to be embedded in the solid fuel grain has been proposed by the Space Propulsion Laboratory (SPLab) of Politecnico di Milano and is here applied to the VFP engine configuration. This reinforcing strategy enables a reduction of the polymer mass fraction in the blend, thus enabling a more tailorable combination of ballistic and mechanical properties. In this paper, a microcrystalline wax is blended with 5 wt% of a styrene-based copolymer; the blended fuel is used as the embedding matrix for gyroid structures serving as reinforcement for the fuel grain. The ballistic response of the reinforced fuel is characterized under quasi-steady and forced transient operating conditions. Ballistic performance of the gyroid-reinforced fuel is contrasted with those of paraffin-based blends where mechanical properties improvement is afforded loading the wax with a styrene-based reinforcing polymer. Overall, the testing campaign consisted of nearly 29 firings under quasi-steady conditions, and 9 tests with forced transient operating conditions. The main observable parameters of interest for the quasi-steady campaign were the solid fuel regression rate and the engine propulsion efficiency (evaluated in terms of both characteristic velocity and thrust coefficient). For forced transient analyses, the engine ballistic response was characterized by pressure trace and overall system behavior. The proposed reinforcing strategy provided encouraging results, and the paraffin-based fuels showed suitable response to the forced transient operating conditions
Diagnostic Techniques for Regression Rate of Paraffin-Based Fuels in a VFP Hybrid Rocket Engine
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Test Activities on Hybrid Rocket Engines: Combustion Analyses and Green Storable Oxidizers—A Short Review
Full text linkHybrid rocket engines (HREs) offer a low-cost, reliable, and environmentally friendly solution for both launch and in-space applications. Hybrid propellants have been identified as green thanks to their use of non-toxic, non-carcinogenic oxidizers. Of particular relevance are storable oxidizers, namely high-concentration (≥90 wt.%) hydrogen peroxide (HP, H2O2) and nitrous oxide (N2O). This work provides a survey of experimental activities based on H2O2 and N2O for hybrid rocket propulsion applications. Open literature data are completed with original thermochemical calculations to support the discussion
Burning of liquefying paraffin-based fuels in a vortex flow hybrid rocket engine with non-conventional configuration
No full textLAUREA MAGISTRALENella propulsione aerospaziale, i motori a razzo ibridi rappresentano una soluzione interessante grazie ai loro vantaggi in termini di impulso specifico, sicurezza, flessibilità operativa, basso costo ricorrente e impatto ambientale (scarico senza cloro). L'aspetto negativo è che forniscono un rateo di regressione lento quando operano con combustibili polimerici, presentano una bassa efficienza di combustione e risentono della variazione nel rapporto O/F. I combustibili liquefacenti a base di paraffina forniscono ratei di regressione più rapidi rispetto ai combustibili polimerici, grazie al loro peculiare meccanismo di combustione. Tuttavia, le paraffine mostrano scarse proprietà meccaniche e perciò vengono tipicamente miscelate con rinforzi polimerici. Una soluzione alla bassa efficienza di combustione e alla variazione O/F è l'uso di motori non convenzionali, come il Vortex Flow Pancake (VFP). Questa configurazione innovativa è caratterizzata da una geometria alternativa con due dischi di combustibile e iniezione tangenziale dell'ossidante. Grazie al flusso vorticoso sviluppato dalla configurazione di iniezione e a una camera di combustione con rapporto lunghezza/diametro tipicamente < 1, il VFP è in grado di fornire un'elevata efficienza di combustione insieme a una forma compatta.
In questo lavoro sono state prodotte diverse formulazioni di combustibili partendo da due ingredienti base: la paraffina microcristallina SasolWax 0907 e il polimero rinforzante Stirene-Etilene-Butilene-Stirene innestato con Anidride Maleica (SEBS-MA). Il comportamento alla combustione è stato testato nel motore VFP di SPLab (SVFP) al fine di stimarne i principali parametri prestazionali: il rateo di regressione del combustibile solido (r_f) e l'efficienza di combustione (basata sulla velocità caratteristica, eta_{c^*}). Le formulazioni sono state testate in diverse condizioni di portata massica dell'ossidante, altezza iniziale della camera di combustione e velocità di iniezione dell'ossidante. Questa analisi è di fondamentale importanza per fornire una buona comprensione della risposta del motore. In generale, il rateo di regressione ha mostrato un andamento decrescente per una quantità crescente di SEBS-MA nella miscela, a causa di un aumento della viscosità che è dannoso nel comportamento alla combustione dei combustibili liquefacenti. Allo stesso tempo, non ha mostrato alcuna dipendenza diretta dall'altezza iniziale della camera, mentre si è rivelato dipendente dalla velocità di iniezione dell'ossidante. Pertanto, quest'ultimo si è rivelato un parametro trainante nelle prestazioni del motore.
A supporto dei risultati sperimentali è stata effettuata un'analisi CFD del flusso dell'SVFP. Le simulazioni a freddo si sono rivelate utili per una migliore comprensione del processo di combustione osservato nelle varie condizioni operative.In aerospace propulsion, hybrid rocket engines represent an attractive solution thanks to their advantages in terms of specific impulse, safety, operational flexibility, low recurring cost and environmental impact (chlorine-free exhaust). On the downside, they deliver slow regression rate when burning polymeric fuels, feature low combustion efficiency and suffer from the O/F ratio shift. Liquefying paraffin-based fuels provide faster regression rates with respect to conventional polymeric fuels, thanks to their peculiar combustion behavior. However, paraffin waxes show poor mechanical properties and to overcome this weakness they are typically blended with polymeric reinforcements. A solution to the low combustion efficiency and the O/F shift is the use of non-conventional engine configurations, such as the Vortex Flow Pancake (VFP). This innovative configuration is characterized by an alternative geometry with two flat fuel disks and tangential oxidizer injection. Thanks to the vortex flow developed by the oxidizer inlet configuration and a combustion chamber with length/diameter ratio typically < 1, the VFP is able to deliver high combustion efficiency along with a compact shape.
In this work different fuel formulations have been produced starting from two base ingredients: the microcrystalline paraffin wax SasolWax 0907 and the reinforcing polymer Styrene-Ethylene-Butylene-Styrene grafted with Maleic Anhydride (SEBS-MA). The burning behavior of the paraffin-based fuels have been tested in the lab-scale VFP of SPLab (SVFP) in order to estimate the main performance parameters: the solid fuel regression rate (r_f) and the combustion efficiency (based on the characteristic velocity, eta_{c^*}). The formulations have been tested in different conditions in terms of oxidizer mass flow rate, initial combustion chamber height and oxidizer injection velocity. This analysis is of fundamental importance in order to provide a good understanding of the motor response. In general, the regression rate showed a decreasing trend for an increasing amount of SEBS-MA in the blend, due to an increase in the melt layer viscosity that is detrimental in the burning behavior of liquefying fuels. At the same time, it showed no direct dependence on the initial combustion chamber height, while it proved to be dependent on oxidizer injection velocity. Therefore, the latter proved to be a driving parameter in the motor performance.
A CFD analysis of the SVFP internal flow has been carried out in order to support the experimental results. Cold flow simulations proved useful to provide a better insight on the observed combustion behavior characterizing the different operating conditions
Effects of grain cracks on the combustion of a VFP engine burning paraffin-based fuels
No full textLAUREA MAGISTRALEI motori a razzo ibridi (HRE) sono una particolare configurazione di sistema di
propulsione caratterizzata da ossidante e combustibile in diversi stati di materia.
Presentano molti vantaggi rispetto ai noti motori a solido e a liquido, come l’elevato
impulso specifico, il costo e la sicurezza, la flessibilità operativa e l’impatto ambientale.
D’altra parte, questa tecnologia presenta anche molti svantaggi importanti,
come la scarsa efficienza di combustione, i bassi valori del tasso di regressione e lo
spostamento del rapporto ossidante-combustibile (O/F shift), motivo della scarsa
popolarità del sistema rispetto alle altre due implementazioni. Il motore pancake a
flusso vorticoso (VFP) è una configurazione sviluppata negli ultimi anni in grado
di superare questi inconvenienti. Questo motore innovativo presenta una camera
dalla geometria particolare, caratterizzata da un rapporto lunghezza/diametro
(L/D) < 1, ed è capace di raggiungere elevati valori di efficienza di combustione
e di velocità di regressione grazie alla produzione di un flusso vorticoso all’interno
della camera di combustione. Il Laboratorio di Propulsione Spaziale (SPLab) del
Politecnico di Milano ha costruito un proprio VFP (SVFP) e negli ultimi anni
sono state condotte diverse campagne di test per caratterizzare completamente il
motore e studiare diverse formulazioni di carburante.
Questa tesi si concentra sugli effetti delle cricche e dei difetti dei grani di combustibile
sul comportamento di combustione dell’SVFP. Il tasso di regressione del
combustibile solido, la velocità caratteristica e l’efficienza di combustione sono le
principali osservabili di interesse. Nella prima parte viene analizzato il comportamento
di combustione dei grani di acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) stampati
in 3D, una formulazione di combustibile termoplastico non liquefacente e caratterizzata
dall’assenza di entrainment. Successivamente è messa a confronto con
formulazioni a base di paraffina. La seconda parte del lavoro analizza quindi gli
effetti dei danni e delle cricche con sezione a V prodotte appositamente sui grani.
In primo luogo, vengono prodotti grani di ABS stampati in 3D con danni in punti
specifici, quindi l’analisi si sposta sulle formulazioni a base di paraffina. L’indagine
mira a chiarire se i danni/crepe sono critici per il funzionamento del motore o se
la natura del carburante liquefacente/termoplastico può contrapporsi ad eventuali
problemi legati all’integrità dei grani.
La tesi mostra che i risultati hanno dimostrato risposte leggermente diverse
a seconda delle formulazioni del carburante. In generale, non sono stati osservati
effetti critici. L’ABS ha mostrato una regressione normale alla superficie del grano,
mentre per le formulazioni a base di paraffina l’area del difetto è aumentata nel
tempo con una forte dipendenza dalla profondità e un’influenza minore dall’angolo
del difetto.
Sono state eseguite tecniche di ricostruzione non distruttive (tomografia) per
rafforzare i risultati sperimentali e ottenere le proprietà locali dei grani. A tal fine
è stato sviluppato un algoritmo di ricostruzione numerica, che ha dimostrato un livello
di accuratezza superiore al 99L’analisi ha fornito utili indicazioni sull’evoluzione
dei difetti, mostrando un significativo aumento del tasso di regressione locale intorno
all’area della cricca.Hybrid rocket engines (HRE) are a peculiar propulsion system configuration characterised
by oxidiser and fuel in different state of matters. They present many
advantages respect to the well-known solid and liquid motors, such as high specific
impulse, cost and safety, operational flexibility and environmental impact.
On the other hand, this technology presents also many major drawbacks such
as poor combustion efficiency, low regression rate values and oxidiser-to-fuel ratio
shift, which is the reason of the unpopularity of the system compared to the
other two implementations. The vortex flow pancake engine is a configuration
developed in the last years capable of overcome these drawbacks. This innovative
motor presents a peculiar geometry chamber characterised by a length-to-diameter
(L/D) ratio < 1, and it achieves high combustion efficiencies and regression rate
values thanks to the production of a vortex flow inside the combustion chamber.
The Space Propulsion Laboratory (SPLab) of Politencico di Milano built its own
VFP (SVFP) and multiple test campaign were ran in the last years in order to
completely characterise the engine and to study different fuel formulations.
This work focuses on the effects of fuel grain cracks and defects on the combustion
behaviour of the SVFP. Solid fuel regression rate, characteristic velocity
and combustion efficiency and are the main observables of interest. In the first
part, the burning behaviour of 3D printed acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS)
grains is analysed, a not-liquefying thermoplastic fuel formulation characterised by
no entrainment, which is thus compared with paraffin-based formulations. Hence,
the second part of the work investigates the effects of purposely produced grain
damages and cracks with a V-shape section. First, 3D-printed ABS grains with
damages in specific locations are produced, then the analysis moves to paraffinbased
formulations. The investigation aims at clarifying if the damages/cracks are
critical for engine operations, or if the nature of the liquefying/thermoplastic fuel
can hinder possible issues related to grain integrity.
The dissertation shows that results demonstrated slightly different kind of responses
depending on the fuel formulations. Generally, no critical effects were
observed. ABS showed a regression normal to the surface of the grain, while for
paraffin-based formulations the defect area increased in time with a strong dependency
from depth and a minor influence from the defect’s angle.
Non destructive reconstruction’s techniques (tomography) were performed to
reinforce experimental results and obtain local properties of the grains. This
was accomplished developing a numerical reconstruction algorithm, which demonstrated
level of accuracy higher than 99%. The analysis provided useful insights of
the defects’ evolution, showing a signification local regression rate increase around
crack’s area
Diagnostic techniques for the evaluation of defects and regression rate of paraffin-based fuels for hybrid rocket engines
No full textLAUREA MAGISTRALELa diagnostica ad ultrasuoni è un tipo di NDE che puo essere sfruttato per la
valutazione (classica) dell’integrità strutturale (presenza di cricche e difetti di parti
meccaniche, componenti, grani propellenti), ma anche utilizzata per applicazioni
più specifiche, come la misurazione del rateo di regressione nel propellenti solidi e
altri combustibili.
Le cere paraffiniche sono combustibili termoplastici di grande interesse nell’ambito
della propulsione ibrida grazie al loro veloce rateo di regressione (rf ) in grado di
superare le limitationi di alcuni convenzionali combustibili polimerici (come ad
esempio l’HTPB). Nonostante questo, le cere paraffiniche esibiscono delle scarse
proprietà meccaniche e dei difetti di manifattura, dovuti al loro restringimento
durante la solidificazione. Le scarse proprietà meccaniche sono mitigate dalla presenza
di alcuni polimeri di rinfornzo, mentre il restringimento viene risolto grazie
a particolari processi produttivi.
In questo lavoro gli US sono usati come diagnostica per la valutazione dell’integrità
strutturale (separazione di strati, cricche ed altri difetti) su grani da laboratorio
in cere paraffiniche e sul loro rateo di regressione. La valutazione è stata fatta sia
su grani convenzionali (cilindrici a singola perforazione centrale), sia su dei dischi
di combustibili solidi in una configurazione non convenzionale di un morore ibrido
(SVFP). I grani convenzionali sono stati prodotti in due diverse scale (diametri
esterni di 30 e 125 mm). Per il SVFP il rateo di regressione è stato stimato grazie
ad un’analisi pre- e post-sparo. Le formulazioni investigate sono basate su una cera
microcristallina in commercio, miscelata con un polimero rinforzante (SEBS-MA).
La frazione massica di questo polimero spazia dal 5% (SEBS-05) al 20% (SEBS-
20). La velocità di propagazione degli US nei campioni testati è stata stimata di
2131 m/s per SEBS-05, 2098 m/s per SEBS-10 e 2017 m/s per il SEBS-20. Gli
errori massimi nella stima di difetti dovuti a separazione di strati nei grani piccoli
e nella stima dello spessore nei grani grandi, sono risultati essere di 1.32 % e -0.19
% rispettivamente, prendendo, come valore di riferimento, la misura diretta del
calibro. Un test sull’inclusione di un oggetto esterno è stato eseguito con successo
sul grano del Caso studio. Infine, la stima fatta con gli ultrasuoni sui valori del
rateo di regressione del VFP è stata comparata con quelli della procedura standard.
I risultati mostrano errori nell’ordine del 8.5 +- 5.34 % fino al -9.5 +- 1.54 %
su tutte le formulazioni, mentre le curve di regressione presentano un andamento
simile, anche se sottostimato rispetto alle curve di riferimento.Ultrasound diagnostics are Non-Destructive Evaluation techniques (NDE) that
can be exploited for the (classical) material structural integrity evaluation (i.e.,
presence of cracks and defects in mechanical parts, components, propellant/fuel
grains), but may be also used for specific applications as burning/regression rate
measurement in solid propellants and fuels.
Paraffin waxes are thermoplastic fuels of high interest in hybrid rocket propulsion
thanks to their fast regression rate (rf ) overcoming the intrinsic limitations of
the slow regressing conventional polymeric fuels (e.g., hydroxyl-terminated polybutadiene
- HTPB). Yet, paraffin waxes exhibits poor mechanical properties and significant
manufacturing issues related to the shrinkage during cooling of the melted
material. The poor mechanical properties are mitigated by the blending with reinforcing
polymers, while thermal stresses induced by the shrinkage require specific
manufacturing procedures.
In this work Ultrasounds (US) are used as diagnostics for the evaluation of the
structural integrity (i.e. layer separations, cracks and other defects) of lab-scale
solid paraffin-based fuel grains and their regression rate. The evaluation has been
carried out for both conventional grains (cylindrical shape, single central port perforation)
and solid fuel disks of an hybrid rocket engine with non-conventional
configuration, the SPLab vortex flow pancake (SVFP). Conventional grains were
produced and tested at two different scales (external diameters of 30 and 125 mm).
For the SVFP grains the regression rate was determined by pre- and post-firing
analysis of the same. Investigated fuel formulations are based on a commercial
microcrystalline wax blended with a reinforcing polymer (SEBS-MA). Reinforcing
polymer mass fraction in the blends spanned from 5% (SEBS-05) to 20% (SEBS-
20). The propagation velocity of US waves inside the test samples was estimated
to be 2131 m/s for SEBS-05, 2098 m/s for SEBS-10 and 2017 m/s for SEBS-20.
Layer separation errors for small spin casting grains and thickness measurements
for large ones, were estimated by US with maximum error of 1.32 % and -0.19 %
respectively, taking as reference the direct measurement by caliber. A foreign object
inclusion test have been performed successfully on the Case study test piece.
Finally, the estimation of the regression rate of VFP disks was compared with the
standard evaluating procedure. Results showed errors in the order of -8.5 +- 5.34
% to -9.5 +- 1.54 % among all the tested formulations, while regression laws displayed
similar curve trends, yet underestimate the predicted regression rate values
Design optimization of conventional and VFP hybrid rocket engines
No full textLAUREA MAGISTRALEIl presente lavoro di tesi riguarda la scrittura di un modello matematico di
balistica interna e l'ottimizzazione dello stesso, per un motore a propellente ibrido
Vortex Flow Pancake. Tale motore rientra nella categoria degli ibridi non
convenzionali, ed è costituito da due dischi di combustibile solidi separati da un
anello di iniettori. L'iniezione tangenziale di ossidante favorisce l'insorgenza di un
vortice che, favorendo il miscelamento tra combustibile e ossidante, permette di
incrementare notevolmente l'effcienza di combustione. La caratteristica unica di
questo motore è data dal rapporto lunghezza/diametro inferiore ad uno, da cui la
denominazione "Pancake".
Il lavoro si divide in due parti: la scrittura del modello e la sua ottimizzazione. In
primo luogo è stato implementato un codice atto a stimare e prevedere l'andamento
della velocità regressione, della pressione della camera di combustione e della spinta
in un motore a propellente ibrido convenzionale. Successivamente tale codice è
stato opportunamente modificato per essere utilizzato sui Vortex Flow Pancake.
A tale scopo il software MATLAB®è stato utilizzato. Durante questa prima
parte è stato necessario impiegare il software NASA®Chemical Equilibrium with
Application per il calcolo della velocità caratteristica della combustione. Successivamente entrambi i modelli di balistica interna sono stati ottimizzati per mezzo
degli algoritmi genetici, effettuando sia un processo di ottimizzazione classico che
multi-obiettivo. Anche in questa fase è stato necessario impiegare il software MATLAB
®, utilizzando in particolare l'add-on "Optimization".This thesis work concerns the design of an internal ballistic mathematical model
and its optimization for a Vortex Flow Pancake hybrid rocket engine. This engine
falls into the category of unconventional hybrids, and consists of two solid fuel
discs separated by an injection ring. The tangential injection of oxidizer favors the
onset of a vortex that enhances the mixing between fuel and oxidizer, allowing a
significant increase of the combustion effciency. The unique geometrical feature of
this engine is its length/diameter ratio lower than one, hence the name "Pancake".
The work is divided into two parts: the design of the model and its optimization.
Firstly, a code has been implemented to estimate and predict the trend of regression
rate, combustion chamber pressure and thrust in a conventional hybrid rocket
engine. Then this code has been modified to be used on a Vortex Flow Pancake.
For this purpose MATLAB®software was used. During this first part it was
necessary to use the NASA®Chemical Equilibrium with Application software to
evaluate the characteristic velocity. Subsequently both internal ballistics models
were optimized by means of Genetic Algorithms, performing both a single- and a
multi-objective optimization process. Also in this phase it was necessary to use
the MATLAB®software, using in particular the add-on "Optimization"
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
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