Combustion dynamics and applications of Hydrogen/Oxygen (H₂/O₂) in aerospace propulsion

This thesis explores the combustion dynamics of the hydrogen/oxygen (H₂/O₂) mixture and its applications in aerospace propulsion. The objective is to provide a comprehensive overview of the thermodynamic, fluid dynamic, and instability-related aspects of combustion within thrust chambers, highlighting the main challenges and operational performance of this propellant. Key phenomena such as flame speed, energy efficiency, and combustion stability are analyzed, with particular attention to the extreme conditions typical of both aeronautical and space engines. The work is based on a combination of theoretical analysis, thermochemical modeling, and case studies, with the aim of describing the fundamental parameters that influence the performance and safety of propulsion systems. The adopted approach allows for the identification of the most effective technical solutions to optimize the use of H₂/O₂, highlighting limitations and opportunities within the context of modern aerospace technologies. The results provide a significant contribution to the understanding of one of the most high-performing propellants used in combustion for both aeronautical and space propulsion.

Questa tesi esplora la dinamica della combustione della miscela idrogeno/ossigeno (H₂/O₂) e le sue applicazioni nella propulsione aerospaziale. L'obiettivo è offrire una panoramica approfondita sulla termodinamica, la fluidodinamica e le instabilità associate alla combustione in camera di spinta, mettendo in evidenza le principali sfide e le performance operative di questo propellente. Vengono analizzati i fenomeni caratteristici quali la velocità di fiamma, l’efficienza energetica e la stabilità del processo combustivo, con particolare attenzione alle condizioni estreme tipiche di motori aeronautici e spaziali. Il lavoro è basato su una combinazione di analisi teorica, modellazione termochimica e studio di casi applicativi, con lo scopo di descrivere i parametri fondamentali che influenzano le prestazioni e la sicurezza dei sistemi propulsivi. L'approccio adottato consente di identificare le soluzioni tecniche più efficaci per ottimizzare l’impiego dell’H₂/O₂, evidenziando limiti e opportunità nel contesto delle moderne tecnologie aerospaziali. I risultati forniscono un contributo significativo alla comprensione di uno dei propellenti più performanti impiegati nella combustione per la propulsione, sia aeronautica che spaziale.