Small-Scale Experiments for the Development and Characterization of Novel Hypergolic Hybrid Rocket Fuel Systems

Les matériaux hypergoliques ont la capacité de s’enflammer rapidement au contact d’un oxydant. Cette propriété les rend intéressants pour les systèmes de propulsion tels que les moteurs de fusée, afin de réduire la complexité et d’augmenter la fiabilité des systèmes d’allumage. Les propergols hypergoliques éliminent le besoin de modules d’allumage complexes et lourds qui doivent être mis en oeuvre dans les fusées, ce qui augmente les coûts opérationnels, de développement et d’essai. La création de propergols hypergoliques pour la propulsion de fusées hybrides est souvent réalisée en ajoutant des additifs au combustible solide. Ces additifs s’enflamment spontanément au contact d’un oxydant liquide. La recherche sur l’allumage hypergolique dans les moteurs hybrides n’est pas aussi avancée que son équivalent pour les moteurs liquides, et les phénomènes ainsi que la chimie sous-jacents sont mal compris. C’est pourquoi des expériences à l’échelle du laboratoire sont souvent menées pour obtenir des informations et des connaissances sur les additifs hypergoliques. Les résultats de ces expériences sont destinés à faciliter la sélection des matériaux pour le système de propulsion et à fournir des informations précieuses pour la simulation et la prédiction du comportement hypergolique de ces carburants. Tout d’abord, une analyse détaillée de la littérature est présentée. Elle couvre la théorie générale de la combustion des fusées hybrides et identifie les carburants couramment utilisés. Les additifs sont également présentés, car ils permettent de modifier précisément le comportement de la combustion et les propriétés du carburant, telles que la vitesse de combustion, les performances et les propriétés mécaniques. Une revue des additifs hypergoliques les plus couramment testés est ensuite présentée. Elle couvre les expériences habituellement menées pour étudier leur capacité hypergolique. La revue de la littérature présente également les installations de recherche sur la visualisation de la combustion à l’échelle du laboratoire utilisées pour étudier le comportement de combustion des carburants hybrides d’une manière unique en utilisant des techniques d’imagerie à grande vitesse. Enfin, les défis et les lacunes en matière de connaissances sont abordés. Par exemple, l’hypergolicité dans les moteurs hybrides a déjà montré des résultats prometteurs dans certaines applications spatiales telles que la manoeuvre des satellites, le contrôle de l’orbite des engins spatiaux, et simplifie davantage la séquence d’allumage des moteurs hybrides. Cependant, les essais d’allumage généralement effectués ne représentent pas les conditions réelles de fonctionnement d’un moteur typique. Ils sont généralement réalisés à la pression ambiante, avec de l’air entourant le carburant et l’oxydant, et en laissant tomber une seule gouttelette d’oxydant, plutôt grosse, dans une petite quantité de carburant. Étant donné les défis associés aux allumages hypergoliques dans la propulsion des fusées hybrides, l’objectif général de cette thèse est de soutenir le développement des moteursfusées hybrides hypergoliques en menant des expériences à petite échelle et en fournissant des résultats expérimentaux. Tout d’abord, un brûleur (slab burner) a été conçu pour visualiser la vitesse de combustion et les instabilités de combustion des carburants hybrides pour fusées. Les carburants paraffiniques avec des additifs alpha-oléfiniques (Vybar) sont évalués. Les alpha-oléfines ont été précédemment identifiées comme de bons candidats pour augmenter les propriétés mécaniques et la viscosité de la paraffine sans affecter ses performances. Cependant, leur effet sur le taux de régression n’était pas connu jusqu’à présent. Les résultats montrent que l’ajout de 20% en poids d’alpha-oléfines à un carburant à base de paraffine réduit son taux de régression d’environ 20%. Ces mesures sont effectuées à l’aide d’un outil d’analyse d’images automatisé développé pour ce projet. Cet outil analyse automatiquement les images capturées par une caméra à grande vitesse et suit le bord du combustible en combustion. Le taux de régression est ensuite déterminé.

Abstract

Hypergolic materials can rapidly ignite upon contact with an oxidizer. This property makes them attractive for propulsion systems such as rocket engines to reduce the complexity and increase the reliability of ignition systems. Hypergolic propellants eliminate the need for complex and heavy ignition modules that must be implemented in rockets, increasing operational, development and testing costs. Hypergolicity in hybrid rocket propulsion is often realized through additives in the solid fuel. These spontaneously ignite when in contact with an appropriate oxidizer. Research on hypergolic ignition in hybrid engines is not as mature as its counterpart for liquid engines, with the underlying physical and chemical phenomena still poorly understood. Therefore, laboratory-scale experiments are needed to gain knowledge on the dynamics associated with hypergolic fuel additives. The results of these experiments are intended to aid in the selection of materials for the propulsion system, as well as to provide valuable information for the simulation and prediction of the hypergolic behavior of these fuels. First, a detailed literature review is presented. It covers the general combustion theory of hybrid rocket engines and identifies commonly used fuels. Additives are also introduced as they provide the ability to finely tune combustion behavior and fuel properties such as ignition delay, burn rate, performance, and mechanical properties. A review of the most common hypergolic additives is then presented. It covers the experiments usually conducted to study their hypergolic character. Finally, the literature review also presents existing laboratoryscale combustion visualization research facilities used to study the combustion behavior of hybrid fuel, with a discussion of challenges and knowledge gaps. For example, hypergolicity in hybrid engines has already shown promising results in some space applications such as satellite maneuvering, spacecraft orbit control, and further simplifies the ignition sequence of rocket engines. However, the ignition tests typically performed do not represent the realworld operating conditions of a typical engine. They are often conducted at ambient pressure, with air surrounding the fuel and oxidizer, and by dropping a single, rather large, oxidizer droplet into a small amount of fuel. Given the challenges associated with hypergolic ignitions in hybrid rocket propulsion, the general objective of this thesis is to support the development of hypergolic hybrid rocket engines by conducting small-scale experiments and providing experimental results. First, a slab burner was designed to visualize the combustion rate and combustion instabilities of hybrid rocket fuels. Paraffin fuel with alpha-olefin (Vybar) additive is evaluated. Alpha-olefins have previously been identified as good candidates to increase the mechanical properties and viscosity of paraffin without affecting its performance. However, their effect on regression rate was not previously known. The results show that the addition of 20 wt.% alpha-olefin to a paraffin fuel reduces its regression rate by approximately 20 %. These measurements are made using an automated image analysis tool developed for this project. This tool automatically analyzes images captured by a high-speed camera and tracks the edge of the burning fuel. The regression rate is then determined.