Innovative Methods to Enhance the Combustion Properties of Solid Fuels for Hybrid Rocket Propulsion

Abstract

The low regression rates for hydroxyl-terminated polybutadiene (HTPB)-based solid fuels and poor mechanical properties for the alternative paraffin-based liquefying fuels make today hybrid rocket engines far from the outstanding accomplishments of solid motors and liquid engines. In this paper, a survey is conducted of several innovative methods under test to improve solid fuel properties, which include self-disintegration fuel structure (SDFS)/paraffin fuels, paraffin fuels with better mechanical properties, high thermal conductivity fuels and porous layer combustion fuels. In particular, concerning HTPB, new results about diverse insert and low-energy polymer particles enhancing the combustion properties of HTPB are presented. Compared to pure HTPB, regression rate can be increased up to 21% by adding particles of polymers such as 5% polyethylene or 10% oleamide. Concerning paraffin, new results about self-disintegrating composite fuels incorporating Magnesium particles (MgP) point out that 15% 1 μm- or 100 μm-MgP formulations increase regression rates by 163.2% or 82.1% respectively, at 335 kg/m2·s oxygen flux, compared to pure paraffin. Overall, composite solid fuels featuring self-disintegration structure appear the most promising innovative technique, since they allow separating the matrix regression from the combustion of the filler grains. Yet, the investigated methods are at their initial stage. Substantial work of refinement in this paper is for producing solid fuels to fulfill the needs of hybrid rocket propulsion.

Nano-Sized and Mechanically Activated Composites: Perspectives for Enhanced Mass Burning Rate in Aluminized Solid Fuels for Hybrid Rocket Propulsion

“…Typical mechanical properties reinforcement techniques yield a reduction of the entrainment effect due to the augmented viscosity of the melted fuel layer [10][11][12][13][14]19]. Recent efforts proposed innovative reinforcing strategies exerting minor effects on the liquid phase viscosity such as self-disintegrating structures [64], as well as the use of three-dimensional (3D) printed cellular structures [65,66].…”

Special Issue “Advances in Hybrid Rocket Technology and Related Analysis Methodologies”

“…Three review papers appear in the Special Issue; Marquardt and Majdalani [10] revise the Marxman's classical diffusion-limited regression rate model with the purpose of complementing the existing literature, providing a unique combination of detail and brevity that will be appreciated by newcomers entering the field. The development of accurate simulations of reacting flows incorporating the capability of modeling the fuel surface regression poses significant challenges for computational methods, and the article from Di Martino et al [11] is concerned with the application of computational thermo-fluid-dynamics to the simulation of the internal ballistics of rockets burning either standard polymeric or liquefying fuels; finally, Chen et al [12] conducted an excellent survey of several innovative methods under testing to improve the solid fuels' combustion properties, presenting a number of experimental results.…”

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

“…Seu desempenho termoquímico teórico é próximo ao obtido com o PBLH (HEISTER; WERNIMONT, 2007). Além disso, os polietilenos também são passíveis de aditivação (CHEN;WOLCOTT, 2015WOLCOTT, , 2014MIKOVÁ;LUYT, 2007).…”

“…O PEAD, com sua cristalinidade superior em relação ao PEBD, exibe módulo de elasticidade e limite de resistência à tração superiores, sendo, portanto, um material mais rígido(CANEVAROLO JR., 2006). Dadas as solicitações termomecânicas usualmente presentes no lançamento e/ou no voo de lançadores e mísseis em geral, este aspecto pode ser relevante no processo de seleção do combustível.O PEAD, o PELBD e o PEBD têm sido amplamente estudados para aplicação como suportes estruturais de parafinas macro e microcristalinas no domínio dos materiais de mudança de fase(CHEN;WOLCOTT, 2015WOLCOTT, , 2014LUYT, 2001a;MIKOVÁ;LUYT, 2007;KRUPA, 2002;MOLEFI;KRUPA, 2010; RAJAGANESH, 2013). Estes são materiais capazes de absorver, armazenar e liberar quantidades consideráveis de energia, na forma de calor latente, num intervalo bem definido de mudança de fase(RAJAGANESH, 2013).Seu princípio de funcionamento baseia-se no fato de que a energia térmica pode ser armazenada como calor latente em materiais que sofrem mudanças de fase em temperaturas próximas às de interesse para aplicações específicas (CHEN;WOLCOTT, 2014).Em síntese, a composição da parafina com polímeros proporciona a oportunidade de utilização de materiais de mudança de fase com uma estrutura controlada e estável, contendo eventuais vazamentos do material fundido, bem como, permite a sua moldagem no formato requerido pela aplicação.…”

“…A cristalinidade da cera microcristalina foi calculada tomando por base o valor de 240,7 J/g para a entalpia de fusão do octadecano (C18H38) contendo 92% em massa de cadeias lineares, o qual também foi adotado como referência para as ceras macrocristalinas, conforme sugestão de Chen e Wolcott (CHEN;WOLCOTT, 2015WOLCOTT, , 2014.Tabela Fonte: Adaptado de (CALLISTER JR., 2007; CHEN; WOLCOTT, 2015, 2014; HEISTER; WERNIMONT, 2007; KIM; MOON; KIM, 2015; KRUPA; MIKOVÁ; LUYT, 2007; MARK, 1999)A aplicabilidade do PEBD e das parafinas à formulação de combustíveis para motores híbridos também foi investigada por Tang et al e por Chen et al sob um prisma diferente, que não envolve a preparação de compósitos por misturação a quente, mas sim a incorporação de partículas do polímero às parafinas fundidas, formando duas fases sólidas distintas, abordagem esta denominada pelos autores de "combustível auto-desintegrante". Os autores apontaram que estes combustíveis proporcionaram ganhos na taxa de regressão, uma vez que não exibiram o aumento de viscosidade típico da incorporação à parafina do polímero fundido(CHEN et al, 2019;TANG et al, 2018). Entretanto, a eficiência de combustão não foi reportada, o que parece colocar em dúvida a validade deste método.Vale retomar as considerações acerca da relação entre a entalpia de vaporização de combustíveis poliméricos e sua taxa de regressão (EILERS;WHITMORE, 2007;GANY, 2007;KUO;CHIAVERINI, 2007;SUTTON;BIBLARZ, 2017).…”