Active throttling and dual‑thrust capability of 3D‑printed swirl‑star fuel grains for hybrid rocket engines

Resumen Técnico: Estrangulamiento Activo y Capacidad de Empuje Dual de Granos de Combustible de Estrellas de Remolino Impresos en 3D

Planteamiento del Problema
Los motores de cohete híbridos (HRM) ofrecen una combinación única de la seguridad y la capacidad de almacenamiento de los propelentes sólidos con la capacidad de estrangulamiento y reinicio de los sistemas líquidos. Sin embargo, la realización práctica de una modulación de empuje rápida y estable se ve a menudo dificultada por el comportamiento de combustión no lineal y limitado por difusión de los granos de combustible poliméricos convencionales. Específicamente, la tasa de regresión ($\dot{r}$) de los combustibles estándar suele seguir una dependencia de ley de potencia con el flujo de masa del oxidante ($G_{ox}$) con un exponente $n$ que oscila entre 0,5 y 0,8. Esta no linealidad provoca un retraso térmico significativo y excursiones en la relación de mezcla durante el estrangulamiento activo, lo que dificulta el control preciso de la trayectoria para aplicaciones como aterrizadores planetarios, vehículos de transferencia orbital y misiles guiados. Existe una necesidad crítica de granos de combustible que exhiban una tasa de regresión que se aproxime a una dependencia lineal del flujo de oxidante ($n \to 1$) para permitir operaciones de doble empuje (impulso–sostenimiento) responsivas y de baja oscilación.

Metodología
Este estudio investigó el uso de granos de combustible fabricados mediante manufactura aditiva (impresión 3D) con geometrías internas complejas para mejorar las tasas de regresión y mejorar la estabilidad del estrangulamiento.

• Combustible y Fabricación: Se seleccionó acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) como combustible debido a su procesabilidad y estabilidad con oxígeno gaseoso. Los granos fueron fabricados utilizando una impresora Prusa i3 MK3 con un relleno del 100%.
• Geometrías de Grano: El estudio comparó un grano tubular de referencia contra variantes de estrella: Estrella Básica (BS), Estrella de Remolino (SS) y Estrella de Remolino Inversa (SSR). Estos se probaron con diferentes números de puntas de estrella ($N = 5, 7, 9$).
• Diseño del Inyector: Se empleó un inyector de remolino tangencial ($S=0.7$) para impartir una alta velocidad angular al oxidante, creando un fuerte vórtice para mejorar la transferencia de calor por convección y la mezcla.
• Configuración Experimental: Se utilizó un motor de prueba de 1 pulgada para 66 pruebas de fuego estático. El sistema utilizó una arquitectura de entrega de oxidante de doble línea con válvulas solenoides en paralelo para lograr transiciones rápidas y escalonadas entre una fase de "impulso" de alto empuje (5 g/s) y una fase de "sostenimiento" de bajo empuje (2,5 g/s).
• Análisis de Datos: Las tasas de regresión se calcularon a partir de la pérdida de masa, y se derivaron leyes empíricas ($\dot{r} = a G_{ox}^n$) mediante regresión de mínimos cuadrados. El rendimiento del estrangulamiento se evaluó basándose en la respuesta transitoria de presión, la magnitud del subimpulso (undershoot) y los niveles de oscilación durante la transición de impulso a sostenimiento.

Resultados Clave

• Regresión en Estado Estacionario: El estudio confirmó que las geometrías complejas alteran significativamente el exponente de combustión. El grano tubular exhibió un exponente clásico de $n \approx 0,617$. La introducción de geometrías de remolino y estrella aumentó $n$, con la Estrella de Remolino Inversa de 5 puntas (5SSR) alcanzando el exponente más alto ($n = 1,080$). Sin embargo, la configuración de Estrella de Remolino Inversa de 7 puntas (7SSR) ofreció un rendimiento equilibrado con $n = 0,911$ y un alto coeficiente de regresión.
• Dinámica de Estrangulamiento:
  • 5SSR ($N=5$): Aunque proporcionaba la tasa de regresión bruta más alta, el grano 5SSR exhibió una respuesta transitoria inestable durante el estrangulamiento, caracterizada por sobreimpulsos de presión y oscilaciones debido a estructuras de vórtice inestables.
  • 9SSR ($N=9$): La configuración de 9 puntas resultó en un exponente menor ($n \approx 0,57$) y una respuesta de presión lenta, comportándose efectivamente como un puerto circular donde las puntas de la estrella fallaron en mantener un vórtice fuerte.
  • 7SSR ($N=7$): Esta configuración demostró el comportamiento dinámico óptimo. Logró una transición limpia de impulso a sostenimiento con un subimpulso de presión mínimo (<5%) y sin oscilaciones significativas. El acoplamiento entre el flujo de oxidante y la regresión del combustible fue casi lineal, permitiendo un estrangulamiento estable y bien controlado.
• Repetibilidad: La arquitectura de estrangulamiento de doble línea proporcionó transiciones escalonadas repetibles y casi instantáneas, como lo evidencia la superposición cercana de las trazas de presión de las pruebas repetidas.

Contribuciones Clave

1. Optimización de la Geometría del Grano: El artículo identifica la geometría de Estrella de Remolino Inversa de 7 puntas (7SSR) como el diseño óptimo para cohetes híbridos estrangulables, resolviendo con éxito el compromiso entre maximizar las tasas de regresión y mantener una combustión estable ($n < 1$).
2. Demostración de Estrangulamiento Activo: El estudio proporciona evidencia empírica de que los granos impresos en 3D con geometrías de remolino optimizadas pueden soportar operaciones de doble empuje responsivas con baja oscilación, una capacidad que a menudo está limitada en los sistemas híbridos convencionales.
3. Validación de la Manufactura Aditiva: La investigación valida la manufactura aditiva como una ruta viable para crear geometrías de puerto internas complejas que manipulan la dinámica de flujo interna para lograr perfiles de empuje programables.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este trabajo proporciona una ruta tratable hacia sistemas de propulsión híbridos programables capaces de realizar perfiles de empuje complejos requeridos para futuras misiones aeroespaciales. Al lograr un exponente de regresión cercano a la unidad ($n \approx 0,911$) con el grano 7SSR, la respuesta del motor se vuelve más predecible y lineal, facilitando el diseño de controladores de bucle cerrado sin la necesidad de compensar la dinámica de planta altamente no lineal e histérica.

El estudio posiciona la relación de estrangulamiento 2:1 demostrada en el motor de 1 pulgada como una prueba de concepto para motores más grandes. Los autores señalan que, si bien son necesarias relaciones de estrangulamiento más profundas para aplicaciones como el aterrizaje planetario, la combinación de manufactura aditiva, inyección de remolino y la geometría 7SSR ofrece un nuevo paradigma de diseño para cohetes híbridos estrangulables. El uso de ABS termoplástico también destaca posibles ventajas logísticas para conceptos de utilización de recursos in situ (ISRU).

Limitaciones
Los autores reconocen modestamente que los resultados se basan en una escala de motor única (1 pulgada) y una relación de estrangulamiento específica (2:1). Advierten que la extrapolación a motores más grandes o relaciones de estrangulamiento más profundas requiere mayor validación. Además, el uso de área de combustión promediada en el tiempo introduce una incertidumbre sistemática, y la suposición de regresión axial uniforme requiere validación futura mediante reconstrucción basada en CT o instrumentación multipuerto. Se propone como trabajo futuro escalar el concepto a niveles de empuje más altos (500–5000 N) e incorporar aditivos energéticos.