Mass flow modulation with a variable area cavitating Venturi flow control valve

One of the most advantageous characteristics of liquid and hybrid propeller engines is their capacity to modulate the thrust on request. This ability is defined as throttleability and is achieved through the use of a flow control valve (FCV). This component allows the variation of the propellant flow rate entering the combustion chamber. Throttleability is essential in landing mission, which require high precision and reactivity in thrust modulation. The use of these devices is expected to be growing with the advent of the space race that is characterizing the return of man on the moon and the exploration of the solar system. This thesis presents the work carried out during the design and the characterization through testing of an FCV based on a variable area cavitating Venturi (VACV) performed during 6 months of internship at T4i - Technology for Propulsion and Innovation. The FCV described in this thesis has been designed to be employed in a specific context, the one of a breadboard model. Which is a breadboard model for a monopropellant lander using hydrazine as a fluid. However, the application of this technology turns out to be much broader. It can be used in the space propulsion environment, with various application such as hybrid, bipropellant, monopropellant propulsion for launchers, landers and satellite. Moreover, this technology might be used in applications where the modulation of the flow rate of any fluid is required. Some examples might be civil, automotive and mechanical industries. In the first chapter of this thesis it is presented the state of the art of the field of valves for aerospace. A particular focus is given to the mass flow modulation used in landers. In the second chapter the project requirements are listed and the FCV design is described. In the third chapter there is a description concerning all the checks, manual calculation and numerical analysis, carried out on the various components of the valve. The fourth and final chapter describes the test campaign of the FCV and a discussion of the results is provided.

Una delle caratteristiche più vantaggiose dei motori a propulsione liquida e ibrida è quella di poter modulare la spinta su richiesta. Questa capacità è definita throttleabilità e viene realizzata mediante l'utilizzo di flow control valve (FCV), consentendo quindi di variare la portata di propellente entrante in camera di combustione. La throttleabilità risulta fondamentale nell'atterraggio dei lander, in cui è richiesta particolare precisione e reattività nella modulazione della spinta, e sarà sempre più necessaria con l'avvento della corsa allo spazio che sta caratterizzando il ritorno dell'uomo sulla luna e l'esplorazione del sistema solare. All'interno di questa tesi viene presentato il lavoro svolto durante il design e la caratterizzazione tramite test di una FCV basata su un cavitating Venturi ad area variabile (VACV) effettuato nei 6 mesi di tirocinio presso T4i - Technology for Propulsion and Innovation. L'FCV descritto in questa tesi è stato progettato per essere impiegato in un contesto specifico, quello di un breadboard model per un lander monopropellente ed utilizza come fluido l'idrazina. Tuttavia, l'impiego di questo tipo di tecnologia risulta ben più ampio. In ambiente propulsivo spaziale è utilizzato per sistemi di propulsione ibrida, bipropellente e monopropellente per lanciatori, lander e satelliti. Trova spazio per applicazioni distanti dall'industria spaziale in cui è richiesta la modulazione della portata di un qualsiasi fluido come l'industria civile, automobilistica e meccanica. Nel primo capitolo di questa tesi viene presentato lo stato dell'arte attuale nel campo delle valvole ad utilizzo aerospaziale, in particolare per la modulazione di portata applicata ai lander. Nel secondo capitolo vengono elencati i requisiti di progetto imposti e il design della FCV. Nel terzo capitolo sono riportate tutte le verifiche, calcoli manuali e analisi numeriche, svolte sui vari componenti della valvola. Nel quarto ed ultimo capitolo si descrivono i test effettuati e se ne analizzano i risultati.