Effect of Al particle shape on solid propellants

Particle shape effects of Al powders on solid propellant features have never rigorously studied before. The work is addressed to the evaluation of the influence of Al particle shape on propellant properties, such as viscosity, burning rate and agglomeration, through the analysis of the condensed products. Four different micrometric powders have been tested. The powders are the following: Al05a, typical Al type III powder used for space applications, with approximately spherical shape; Al06, a commercial irregular powder, which does not find application in propulsive systems; Al05a-M and Al06-M, which are the previous two powders after a ball milling process, done to enhance particle irregularity. To this set of powders, a last one has been added. Indeed, also a nanometric powder has been introduced in the comparison. This inclusion has been made to settle where can be placed the increment of specific surface, due to particle irregularity, between a micrometric and a nanometric powder. To compare the different powders, the following characteristics have been analyzed: granulometry, morphology and active metal content. While granulometry and active metal content have been evaluated with standard techniques, an ad hoc procedure has been developed to analyze particle shape (this analysis has been executed only for the micrometric powders). The key factor of the work is the evaluation of the particle shape effects on propellant features, therefore have been manufactured the respective solid propellants. Propellants have been manufactured using a resonant acoustic mixer. The tests carried out on solid propellants concern both mechanical and ballistic properties. About mechanical properties, the viscosity of the uncured propellant slurry has been evaluated, while burning rate and collection of combustion residuals are the characteristics analyzed regarding the ballistic properties. An experimental procedure has been developed for the collection and the analysis of the condensed combustion products. The analyses executed on the residues concern the estimation of particle size distribution and chemical tests, in order to understand which chemical species are present in the samples. In addition condensed products refractive index has been estimate with the simple mixture rule, to define more precise granulometric results. Finally a numerical simulations have been carries out for the estimation of two-phase flow losses.

Gli effetti relativi alla forma delle particelle di Al sulle caratteristiche dei propellenti solidi non hanno mai ricevuto molta attenzione in passato, perciò il lavoro è indirizzato alla valutazione di tale influenza sulle proprietà dei propellenti solidi, quali: viscosità, velocità di combustione e agglomerazione, attraverso l'analisi dei prodotti condensati. L'analisi è stata eseguita testando quattro diverse polveri micrometriche. Le polveri analizzate sono le seguenti: Al05a, una tipica polvere utilizzata per applicazioni spaziali (Al tipo III), con forma approssimativamente sferica; AL06, una polvere irregolare di tipo commerciale, che non trova diretta applicazione nei sistemi propulsivi; Al05a-M e AL06-M, ossia le due polveri precedenti dopo un processo di macinazione tramite un mulino a sfere, eseguito per deformare le particelle, al fine di ottenere delle particelle con una forma differente da quella di partenza (più irregolare). A questo insieme di polveri è stato aggiunto un ulteriore termine di paragone, infatti, anche una polvere nanometrica è stata introdotta nel confronto. Questa aggiunta è stata fatta per andare ad identificare quanto l'incremento di superficie specifica dovuto all'irregolarità delle particelle si discosti dalle tipiche particelle micrometriche sferiche rispetto ad una polvere nanometrica, che ha una elevata superficie specifica. Per confrontare le diverse polveri, sono state analizzate le seguenti caratteristiche: granulometria, morfologia e contenuto metallico attivo. Mentre per quanto riguarda le analisi granulometriche e del contenuto attivo di metallo sono state valutate mediante tecniche standard, una procedura ad hoc è stata sviluppata per analizzare la morfologia delle particelle (questa analisi è stata eseguita solo per le polveri micrometriche). Il punto chiave del lavoro è la valutazione degli effetti della forma delle particelle sulle prestazione dei propellenti solidi. Perciò i rispettivi propellenti sono stati prodotti mediante l'utilizzo di un mixer a risonanza acustica. Le prove effettuate sui propellenti solidi riguardano sia le proprietà balistiche che meccaniche. Circa le proprietà meccaniche, è stata valutata la viscosità del propellente non curato, mentre la velocità di combustione e la raccolta di residui di combustione sono le caratteristiche analizzate per quanto riguarda le proprietà balistiche. Per la raccolta dei residui di combustione e la relativa analisi è stata sviluppata una apposita procedura. Le analisi eseguite sui residui di combustione riguardano una valutazione delle relative distribuzioni granulometriche e analisi riguardanti l'aspetto chimico dei residui, per capire quali composti e specie chimiche sono presenti nei campioni. Inoltre è stata fatta una stima dell'indice di rifrazione tramite la semplice regola delle miscele, per ottenere risultati più raffinati a proposito delle distribuzioni granulometriche. Infine sono state effettuate delle simulazioni numeriche per la stima delle perdite di flusso bifase.