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

Sintesi Tecnica: Regolazione Attiva e Capacità di Doppia Spinta dei Grani di Combustibile Swirl-Star Realizzati tramite Stampa 3D

Problematica
I motori a razzo ibridi (HRM) offrono una combinazione unica tra la sicurezza e la stabilità di stoccaggio dei propellenti solidi con le capacità di regolazione (throttling) e riaccensione dei sistemi liquidi. Tuttavia, la realizzazione pratica di una modulazione della spinta rapida e stabile è spesso ostacolata dal comportamento di combustione non lineare e limitato dalla diffusione dei convenzionali grani di combustibile polimerico. Nello specifico, la velocità di regressione ($\dot{r}$) dei combustibili standard segue tipicamente una dipendenza per legge di potenza rispetto al flusso di massa dell'ossidante ($G_{ox}$) con un esponente $n$ compreso tra 0,5 e 0,8. Questa non linearità causa un significativo ritardo termico ed escursioni del rapporto di miscela durante la regolazione attiva, rendendo difficile il controllo preciso della traiettoria per applicazioni quali lander planetari, veicoli di trasferimento orbitale e missili guidati. Esiste una critica necessità di grani di combustibile che esibiscano una velocità di regressione prossima a una dipendenza lineare dal flusso di ossidante ($n \to 1$) per consentire operazioni di doppia spinta (boost–sustain) a bassa oscillazione e altamente reattive.

Metodologia
Questo studio ha investigato l'uso di grani di combustibile prodotti mediante manifattura additiva (stampa 3D) con geometrie interne complesse per migliorare le velocità di regressione e migliorare la stabilità della regolazione.

• Combustibile e Fabbricazione: L'acrilonitrile butadiene stere (ABS) è stato selezionato come combustibile per la sua lavorabilità e stabilità con ossigeno gassoso. I grani sono stati fabbricati utilizzando una stampante Prusa i3 MK3 con riempimento (infill) al 100%.
• Geometrie dei Grani: Lo studio ha confrontato un grano tubolare di base contro varianti a stella: Basic Star (BS), Swirl Star (SS) e Swirl-Star-Reverse (SSR). Questi sono stati testati con diversi numeri di punte della stella ($N = 5, 7, 9$).
• Design dell'Iniettore: È stato impiegato un iniettore a vortice tangenziale ($S=0,7$) per impartire un'elevata velocità angolare all'ossidante, creando un forte vortice per potenziare il trasferimento di calore convettivo e il mixing.
• Configurazione Sperimentale: È stato utilizzato un motore di prova da 1 pollice per 66 test di combustione statica. Il sistema utilizzava un'architettura di consegna dell'ossidante a doppia linea con valvole a solenoide in parallelo per ottenere transizioni rapide e a gradini tra una fase di alta spinta "boost" (5 g/s) e una fase di bassa spinta "sustain" (2,5 g/s).
• Analisi dei Dati: Le velocità di regressione sono state calcolate dalla perdita di massa, e le leggi empiriche ($\dot{r} = a G_{ox}^n$) sono state derivate tramite regressione ai minimi quadrati. Le prestazioni di regolazione sono state valutate in base alla risposta ai transitori di pressione, all'entità del sottoscorrimento (undershoot) e ai livelli di oscillazione durante la transizione da boost a sustain.

Risultati Chiave

• Regressione a Regime: Lo studio ha confermato che le geometrie complesse alterano significativamente l'esponente di combustione. Il grano tubolare ha esibito un esponente classico di $n \approx 0,617$. L'introduzione di geometrie swirl e a stella ha aumentato $n$, con la configurazione 5-point Swirl-Star-Reverse (5SSR) che ha raggiunto l'esponente più elevato ($n = 1,080$). Tuttavia, la configurazione 7-point Swirl-Star-Reverse (7SSR) ha offerto una prestazione bilanciata con $n = 0,911$ e un alto coefficiente di regressione.
• Dinamica di Regolazione:
  • 5SSR ($N=5$): Sebbene fornisca la velocità di regressione grezza più elevata, il grano 5SSR ha esibito una risposta transitoria instabile durante la regolazione, caratterizzata da sovrappressioni e oscillazioni dovute a strutture vorticose instabili.
  • 9SSR ($N=9$): La configurazione a 9 punte ha prodotto un esponente inferiore ($n \approx 0,57$) e una risposta di pressione lenta, comportandosi efficacemente come un porto circolare dove le punte della stella non sono riuscite a sostenere un forte vortice.
  • 7SSR ($N=7$): Questa configurazione ha dimostrato il comportamento dinamico ottimale. Ha ottenuto una transizione pulita da boost a sustain con un sottoscorrimento di pressione minimo (<5%) e senza oscillazioni significative. L'accoppiamento tra il flusso di ossidante e la regressione del combustibile è stato quasi lineare, permettendo una regolazione stabile e ben controllata.
• Ripetibilità: L'architettura di regolazione a doppia linea ha fornito transizioni a gradini ripetibili e quasi istantanee, come dimostrato dalla stretta sovrapposizione delle tracce di pressione nei test ripetuti.

Contributi Chiave

1. Ottimizzazione della Geometria del Grano: Il documento identifica la geometria 7-point Swirl-Star-Reverse (7SSR) come il design ottimale per razzi ibridi regolabili, risolvendo con successo il compromesso tra la massimizzazione delle velocità di regressione e il mantenimento di una combustione stabile ($n < 1$).
2. Dimostrazione di Regolazione Attiva: Lo studio fornisce prove empiriche che i grani stampati in 3D con geometrie swirl ottimizzate possono supportare operazioni di doppia spinta reattive con basse oscillazioni, una capacità spesso limitata nei sistemi ibridi convenzionali.
3. Validazione della Manifattura Additiva: La ricerca valida la manifattura additiva come una via percorribile per la creazione di geometrie di porta interna complesse che manipolano le dinamiche di flusso interno per ottenere profili di spinta programmabili.

Significato e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questo lavoro fornisce una via percorribile per sistemi di propulsione ibridi programmabili capaci di eseguire profili di spinta complessi richiesti dalle future missioni spaziali. Raggiungendo un esponente di regressione vicino all'unità ($n \approx 0,911$) con il grano 7SSR, la risposta del motore diventa più prevedibile e lineare, facilitando la progettazione di controllori a ciclo chiuso senza la necessità di compensare dinamiche di impianto altamente non lineari e isteretiche.

Lo studio posiziona il rapporto di regolazione 2:1 dimostrato nel motore da 1 pollice come una prova di concetto per motori più grandi. Gli autori osservano che, sebbene siano necessari rapporti di regolazione più profondi per applicazioni come l'atterraggio planetario, la combinazione di manifattura additiva, iniezione a vortice e la geometria 7SSR offre un nuovo paradigma di design per razzi ibridi regolabili. L'uso del termoplastico ABS evidenzia anche potenziali vantaggi logistici per i concetti di utilizzo delle risorse in situ (ISRU).

Limitazioni
Gli autori riconoscono con modestia che i risultati si basano su un singolo motore in scala (1 pollice) e un rapporto di regolazione specifico (2:1). Avvertono che l'estrapolazione a motori più grandi o a rapporti di regolazione più profondi richiede un'ulteriore validazione. Inoltre, l'uso dell'area di combustione media temporale introduce un'incertezza sistematica, e l'assunzione di una regressione assiale uniforme richiede una futura validazione tramite ricostruzione basata su CT o strumentazione multi-porta. Il lavoro futuro è proposto per scalare il concetto verso livelli di spinta più elevati (500–5000 N) e incorporare additivi energetici.