Experimental investigation of paraffin-based fuels for hybrid rocket propulsion

Abstract

Solid fuels for hybrid rockets were characterized in the framework of a research project aimed to develop a new generation of solid fuels, combining at the same time good mechanical and ballistic properties. Original techniques were implemented in order to improve para©n-based fuels. The ¦rst strengthening technique involves the use of a polyurethane foam (PUF); a second technique is based on thermoplastic polymers mixed at molecular level with the para©n binder. A ballistic characterization of para©n-based hybrid rocket solid fuels was performed, considering pure wax-based fuels and fuels doped with suitable metal additives. Nano-Al powders and metal hydrides (magnesium hydride (MgH 2 ), lithium aluminum hydride (LiAlH 4 )) were used as ¦llers in para©n matrices. The results of this investigation show a strong correlation between the measured viscosity of the melted para©n layer and the regression rate: a decrease of viscosity increases the regression rate. This trend is due to the increasing development of entrainment phenomena, which strongly increase the regression rate. Addition of LiAlH 4 (mass fraction 10%) can further increase the regression rate up to 378% with respect to the pure HTPB regression rate, taken as baseline reference fuel. The highest regression rates were found for the Solid Wax (SW) composition, added with 5% MgH 2 mass fraction; at 350 kg/(m 2 s) oxygen mass §ux, the measured regression rate, averaged in space and time, was 2.5 mm/s, which is approximately ¦ve times higher than that of the pure HTPB composition. Compositions added with nanosized aluminum powders were compared with those added with MgH 2 , using gel or solid wax.

Physical and Ballistic Characterization of Aluminum-Loaded Paraffin Hybrid Rocket Fuels

“…The lower values of viscosity can favor a positive effect on regression rate enhancement. Galfetti et al 15 found that the addition of metal additives to paraffin-based fuels reduced the viscosity of the liquid melt layer. They attributed this behavior to high radiative heat transfer to the liquid melt layer, thereby reducing the viscosity.…”

A new strategy for the reinforcement of paraffin-based fuels based on cellular structures: The armored grain — Mechanical characterization

“…Conventional (i.e., non-liquefying) fuels as hydroxyl-terminated polybutadiene (HTPB) feature high mechanical properties, though the r f is limited. Their use as reinforcing binders for fast-burning paraffin wax was one of the first methods proposed for the creation of a fuel formulation with suitable mechanical and ballistic properties [13][14][15][16][17][31][32][33][34][35][36][37][38]. Boronowsky [32] tested the combustion behavior of paraffin, HTPB and two different heterogeneous HTPB-based fuels consisting of 15 wt% and 30 wt% granulated paraffin chunks (with size in the range 0.3-0.7 mm).…”

Preparação e caracterização de compósitos à base de polietileno, parafina e nitrato de amônio para aplicação em propulsão hibrida

“…Foram verificadas descrições incompletas ou mesmo inexistentes dos processos utilizados para obter as amostras de compósitos polímeros-parafinas, prejudicando, por um lado, eventuais tentativas de reproduzir os experimentos, e desconsiderando, de outra parte, as possíveis repercussões dos métodos de preparação sobre os resultados obtidos (GALFETTI et al, 2013;GOMES et al, 2013;ISHIGAKI;NAKAGAWA, 2017;KIM et al, 2015;MOON;KIM, 2015;MENGU;KUMAR, 2018;TANG et al, 2017TANG et al, , 2018 ou sobre a saúde humana e o meio-ambiente (MENGU; KUMAR, 2018).…”

“…Em termos absolutos, o patamar atingido por esta formulação foi de 1,2 mm/s, ainda bastante inferior às velocidades de queima usualmente observadas em propelentes sólidos(GALFETTI et al, 2013).Apesar deste incremento considerável em relação ao PBLH e à inegável melhoria nas qualidades estruturais do combustível, agregada pelo PUF, os autores reconheceram que o material obtido era anisotrópico, dada a natureza intrinsecamente heterogênea da matriz polimérica utilizada, o que poderia comprometer seu comportamento face a esforços mecânicos como vibrações e compressão. Finalmente, nenhum comentário foi feito sobre a eficiência de combustão das composições estudadas e sobre os possíveis efeitos dos diferentes suportes sobre o mecanismo de combustão e, portanto, sobre a taxa de regressão(GALFETTI et al, 2013).Neste ponto, cabe questionar a comparação relativa com o PBLH, pois a abordagem mais coerente seria cotejar os resultados do material compósito com a espuma de poliuretano ou com a parafina pura. Este aspecto foi observado no estudo de Gomes et al, que avaliaram experimentalmente a composição da espuma de poliuretano com 30% em massa de cera microcristalina, queimando com oxigênio gasoso.…”

“…Entretanto, a formulação estudada foi um tanto exótica, tendo consistido em uma mistura homogênea de 15% de SEBS, 25% de óleo mineral, 50% de parafina e 10% de querosene (frações em massa). Embora tenha apresentado comportamento mecânico adequado e um incremento de 148% relativo à taxa de regressão do PBLH puro, esta abordagem não parece promissora, não porque afaste o combustível da concepção clássica, mas sim porque resultados similares talvez possam ser obtidos por formulações mais simples(GALFETTI et al, 2013).A composição do copolímero termoplástico de etileno-acetato de vinila (EVA na sigla em inglês) com cera de parafina e cera microcristalina, com teores de até 20% em massa do copolímero na formulação e queimando com O2 gasoso em câmarade combustão (NAKAGAWA; HIKONE, 2011) e em motor foguete híbrido (ISHIGAKI; NAKAGAWA, 2017) também foi avaliada. O método de preparo das composições não foi descrito.…”