Performance Characterization of Propulsion Systems for Spacecraft Applications

The subject of the research program described in the present work is the analysis of hybrid rocket motors performance, through different experimental campaigns, which have been conducted on both small scale and full scale versions. The diagnostics system was composed by sensors to measure the pressure levels in many different sections of the propulsion system, sensors to monitor the burned quantity of fuel and oxidizer and sensors useful to define the physical conditions of the used oxidant: liquid nitrous oxide, in auto-pressurization form. During this experience with chemical propulsion systems at CISAS, various test types have been performed, in order to study all the problematics, which concern the functioning of a hybrid rocket: a) discharge tests, to set-up the hydraulic circuit, valve actuation and injection of oxidizer; b) ignition tests, to understand the issues that are connected with the initial burning phases; c) hot firing tests, to investigate the behavior of the motor during complete functioning operations. All the needed instrumentation has been accurately and specifically designed and produced for this scope: the experimental facilities, the test bench, the different versions of the motor subsystems. A huge amount of work has been done, and it has permitted to verify the effect of many different design solutions on the final performance of the tested rockets. An initial small scale experimental campaign served as a “test bench” in order to preliminarily verify main issues in the development of chemical propulsion systems, to calibrate the diagnostics and to highlight the initial performance characteristics of the motor: in particular, the final choice of the fuel grain material has been done in this phase. After that, a first full scale motor version has been designed, using the resulting data of the small scale tests: the analysis on the verified instabilities started from this experimental campaign, in which an unstable behavior has been investigated and assigned to the injection of oxidizer in combustion chamber. For this reason, an accurate research program has been set-up to deep analyse how the fluid enters and behaves prior and after the injection plate: in a dedicated facility, many different injector types have been tested in different discharge conditions, in order to investigate the physical properties of N2O in auto-pressurization form, as it is used in the tested motors. The results of this intermediate program have permitted to upgrade some technical solutions of the rocket design, and improve its performance both in terms of combustion efficiency and instabilities mitigation. To check the effects on the developed performance, two final verification test campaigns have been carried out, on two different motor versions. This has been useful also in the developing of a real “proto-flight” motor, which adopted lightweight materials and compact configurations: the experimental campaigns have been very useful in the definition of all the stresses, that would affect a possible payload of the produced propulsion system.

Oggetto del programma di ricerca è l’analisi delle prestazioni di propulsori ibridi attraverso campagne sperimentali condotte su motori in scala ridotta e completa. Le misure effettuate sono state acquisite attraverso un apposito sistema di diagnostica, composto da sensori per la misura dei valori di pressione in differenti sezioni del sistema propulsivo, sensori per il monitoraggio delle quantità impiegate di combustibile e comburente, e sensori per definire le condizioni fisiche dell’ossidante: protossido d’azoto auto-pressurizzato. Durante questa esperienza condotta al CISAS nell’ambito della propulsione chimica, svariate prove sperimentali sono state condotte per studiare le problematiche che concernono il funzionamento di motori ibridi: a) test di scarica ossidante, per la messa a punto del circuito idraulico, del funzionamento della valvola principale e delle prestazioni del sistema di iniezione; b) test di accensione, per investigare le problematiche connesse con le fasi iniziali della combustione; c) test a fuoco, per lo studio del motore durante il completo funzionamento. Tutta la strumentazione necessaria è stata accuratamente progettata e prodotta con tali finalità: la facility sperimentale, il banco di test e le diverse versioni dei sottosistemi del motore. Una consistente mole di lavoro è stata portata a termine, e ha permesso la verifica degli effetti di diverse soluzioni progettuali sulle prestazioni finali sviluppate dagli endoreattori testati. Una prima campagna sperimentale su motori in scala ridotta ha servito come “banco prova” per prendere confidenza con i sistemi propulsivi chimici, per la calibrazione della diagnostica e per evidenziare le iniziali caratteristiche prestazionali: in particolare, in questa fase è stata fatta la scelta definitiva del materiale per il grano combustibile. In un secondo momento, una prima versione in scala completa del motore è stata progettata, impiegando i risultati della precedente campagna sul propulsore in scala ridotta: l’analisi delle instabilità di combustione è iniziata a partire da questa serie di test, nella quale il comportamento instabile è stato studiato e riconosciuto come effetto dell’iniezione di ossidante nella camera di combustione. Per questo motivo, una precisa fase di studio è stata implementata per analizzare come il fluido si comporta a cavallo della piastra di iniezione: attraverso un set-up sperimentale dedicato, svariati tipi di iniettore sono stati testati in molte configurazioni diverse, nell’ottica di studiare attentamente le proprietà fisiche dell’N2O in condizione auto-pressurizzata, così come è stato impiegato nei test del motore. I risultati di questa fase intermedia hanno permesso di aggiornare alcune soluzioni tecniche del design del motore, e migliorarne in questo modo le prestazioni sia in termini di efficienza di combustione, sia nell’attenuazione delle instabilità. La verifica degli effetti sulle prestazioni sviluppate è stata effettuata durante due ultime campagne di test, condotte su due diverse versioni del motore. L’utilità di questo lavoro è stato anche quello di sviluppare una realistica versione “pre-volo” del motore, che ha impiegato materiali leggeri e una configurazione compatta: le campagne sperimentali sono state molto utili nella definizione delle sollecitazioni che potrebbero interessare un eventuale payload del sistema propulsivo prodotto.