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

Technische Samenvatting: Actieve Regeling en Dual-Thrust Capaciteit van 3D-geprinte Swirl-Star Brandstofkorrels

Probleemstelling
Hybride raketmotoren (HRM's) bieden een unieke combinatie van de veiligheid en opslagbaarheid van vaste brandstoffen met de regelbare en herstartbare eigenschappen van vloeibare systemen. De praktische realisatie van snelle, stabiele stuwkrachtmodulatie wordt echter vaak belemmerd door het niet-lineaire, diffusie-gelimiteerde verbrandingsgedrag van conventionele polymere brandstofkorrels. Specifiek volgt de regressiesnelheid ($\dot{r}$) van standaard brandstoffen een machtswet afhankelijkheid van de oxidator massastroom ($G_{ox}$) met een exponent $n$ variërend van 0,5 tot 0,8. Deze niet-lineariteit veroorzaakt aanzienlijke thermische traagheid en fluctuaties in de mengverhouding tijdens actieve regeling, wat nauwkeurige trajectcontrole bemoeilijkt voor toepassingen zoals planetaire landers, orbitale transfervoertuigen en geleide raketten. Er is een kritieke behoefte aan brandstofkorrels die een regressiesnelheid vertonen die de lineaire afhankelijkheid van de oxidatorflux benadert ($n \to 1$), om responsieve, laag-oscillerende dual-thrust (boost–sustain) operaties mogelijk te maken.

Methodologie
Deze studie onderzocht het gebruik van additief vervaardigde (3D-geprinte) brandstofkorrels met complexe interne geometrieën om regressiesnelheden te verbeteren en de stabiliteit van de regeling te optimaliseren.

• Brandstof en Fabricage: Acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) werd geselecteerd als brandstof vanwege de verwerkbaarheid en stabiliteit met gasvormig zuurstof. Korrels werden vervaardigd met een Prusa i3 MK3 printer met 100% infill.
• Korrelgeometrieën: De studie vergeleek een basis tubulaire korrel met ster-geometrie varianten: Basic Star (BS), Swirl Star (SS) en Swirl-Star-Reverse (SSR). Deze werden getest met variërende aantallen sterpunten ($N = 5, 7, 9$).
• Injectorontwerp: Een tangentiële swirl-injector ($S=0,7$) werd ingezet om een hoge hoeksnelheid aan de oxidator te geven, waardoor een sterke vortex ontstond om de convectieve warmteoverdracht en menging te verbeteren.
• Experimentele Opstelling: Een 1-inch testmotor werd gebruikt voor 66 statische vuurtests. Het systeem maakte gebruik van een dual-line oxidator-toevoerarchitectuur met parallelle solenoid-kleppen om snelle, stapsgewijze overgangen te bereiken tussen een hoog-stuwkracht "boost"-fase (5 g/s) en een laag-stuwkracht "sustain"-fase (2,5 g/s).
• Data-analyse: Regressiesnelheden werden berekend uit massaverlies, en empirische wetten ($\dot{r} = a G_{ox}^n$) werden afgeleid via least-squares regressie. De regelingprestaties werden geëvalueerd op basis van de druktransiënte respons, de omvang van de undershoot en het oscillatieniveau tijdens de boost-naar-sustain transitie.

Belangrijkste Resultaten

• Steady-State Regressie: De studie bevestigde dat complexe geometrieën de verbrandingsexponent aanzienlijk veranderen. De tubulaire korrel vertoonde een klassieke exponent van $n \approx 0,617$. De introductie van swirl en ster-geometrieën verhoogde $n$, waarbij de 5-punts Swirl-Star-Reverse (5SSR) de hoogste exponent bereikte ($n = 1,080$). Echter, de 7-punts Swirl-Star-Reverse (7SSR) configuratie bood een gebalanceerde prestatie met $n = 0,911$ en een hoge regressiecoëfficiënt.
• Regeldynamica:
  • 5SSR ($N=5$): Hoewel deze de hoogste ruwe regressiesnelheid bood, vertoonde de 5SSR korrel een instabiele transiënte respons tijdens de regeling, gekenmerkt door druk-overshoots en oscillaties door instabiele vortexstructuren.
  • 9SSR ($N=9$): De 9-punts configuratie resulteerde in een lagere exponent ($n \approx 0,57$) en een trage drukrespons, waarbij deze effectief gedrag vertoonde als een circulaire poort waar de sterpunten er niet in slaagden een sterke vortex in stand te houden.
  • 7SSR ($N=7$): Deze configuratie demonstreerde de optimale dynamische gedrag. Het bereikte een schone transitie van boost naar sustain met minimale druk-undershoot (<5%) en zonder significante oscillaties. De koppeling tussen de oxidatorflux en de brandstofregressie was bijna-lineair, wat zorgde voor een stabiele, goed gecontroleerde regeling.
• Herhaalbaarheid: De dual-line regelingarchitectuur leverde herhaalbare, bijna instantane stapsgewijze transities, zoals aangetoond door de nauwe overlap van de druktraces bij herhaalde tests.

Belangrijkste Bijdragen

1. Optimalisatie van Korrelgeometrie: Het artikel identificeert de 7-punts Swirl-Star-Reverse (7SSR) geometrie als de optimale ontwerpkeuze voor regelbare hybride raketten, waarbij het compromis tussen het maximaliseren van regressiesnelheden en het behouden van stabiele verbranding ($n < 1$) succesvol is opgelost.
2. Demonstratie van Actieve Regeling: De studie levert empirisch bewijs dat 3D-geprinte korrels met geoptimaliseerde swirl-geometrieën een responsieve dual-thrust operatie met lage oscillatie kunnen ondersteunen, een capaciteit die vaak beperkt is in conventionele hybride systemen.
3. Validatie van Additive Manufacturing: Het onderzoek valideert additieve fabricage als een levensvatbare route voor het creëren van complexe interne poortgeometrieën die de interne stromingsdynamica manipuleren om programmeerbare stuwkrachtprofielen te bereiken.

Betekenis en Claims
De auteurs claimen dat dit werk een hanteerbare route biedt naar programmeerbare hybride voortstuwingssystemen die in staat zijn tot complexe stuwkrachtprofielen die vereist zijn voor toekomstige ruimtevaartmissies. Door een regressie-exponent dicht bij eenheid te bereiken ($n \approx 0,911$) met de 7SSR korrel, wordt de motorrespons voorspelbaarder en linearer, wat het ontwerp van closed-loop controllers vergemakkelijkt zonder de noodzaak om te compenseren voor hoog-niet-lineaire, hysteretische plant-dynamica.

De studie positioneert de 2:1 regelingratio (5 g/s naar 2,5 g/s) gedemonstreerd in de 1-inch motor als een proof-of-concept voor grotere motoren. De auteurs merken op dat diepere regelingratio's noodzakelijk zijn voor toepassingen zoals planetaire landing, maar dat de combinatie van additive manufacturing, swirl-injectie en de 7SSR geometrie een nieuw ontwerparadigma biedt voor regelbare hybride raketten. Het gebruik van thermoplastisch ABS benadrukt bovendien potentiële logistieke voordelen voor ISRU-concepten (in-situ resource utilization).

Beperkingen
De auteurs erkennen bescheiden dat de resultaten gebaseerd zijn op een enkele motortrap (1-inch) en een specifieke regelingratio (2:1). Zij waarschuwen dat extrapolatie naar grotere motoren of diepere regelingratio's verdere validatie vereist. Daarnaast introduceert het gebruik van tijdgemiddelde verbrandingsoppervlakte een systematische onzekerheid, en vereist de aanname van uniforme axiale regressie toekomstige validatie via CT-reconstructie of multi-port instrumentatie. Toekomstig werk wordt voorgesteld om het concept te schalen naar hogere stuwkrachtniveaus (500–5000 N) en energetische additieven te integreren.