Innovative boron based solid fuels for hybrid atmospheric propulsion

Solid fuels are commonly loaded with metal powders to improve performance and density of the system: among the possible additives, boron ensures a higher enthalpy release and, at the same time, its high density grants an advantage from the volumetric point of view. To overcome the problematics associated to the combustion of boron, innovative magnesium-coated boron powders (provided by Mach I company) were studied in this thesis. The characterization of this kind of solid fuels was carried on in view of its application in hybrid airbreathing propulsion as part of an innovative concept of microsatellites carriers. The experimental characterization of the solid fuel is preceded by the definition of a simplified flight envelope to investigate the entry conditions of the combustion chamber, which will be used in the following thermochemical analysis. The latter allows to evaluate the performance of the system in significant points of a hypothetic propulsive mission and to compare the specific impulse of the different studied formulations. The feasibility and the calorimetric properties of this type of formulations was addressed as well. The effect of the magnesium coating on curing reaction, viscosity and reactivity of the formulation was evaluated, comparing the results with a baseline of polybutadiene-boron. Powders are also characterized with granulometric analysis and X-Ray Diffraction, which revealed the unexpected presence of a magnesium boride (Mg2B25). This boride is believed to be the main responsible of the obtained results.

I combustibili solidi sono solitamente additivati con polveri metalliche per migliorare le performance e la densità del sistema: tra i possibili additivi, il boro garantisce un grande rilascio entalpico e al tempo stesso la sua alta densità permette un vantaggio anche dal punto di vista volumetrico. Per superare le problematiche associate alla combustione di questo metallo sono state studiate delle innovative polveri di boro ricoperto da un coating di magnesio (fornite dall’azienda Mach I). La caratterizzazione di questo tipo di combustibile è stata effettuata in vista di una sua applicazione in un sistema di propulsione ibrida airbreathing come parte di un innovativo concetto di lanciatore per microsatelliti. La caratterizzazione sperimentale del combustibile è preceduta dalla definizione di un inviluppo di volo semplificato per indagare le condizioni d’ingresso in camera di combustione da utilizzare poi nell’analisi termochimica. Quest’ultima permette di valutare le prestazioni del sistema in punti significativi di un’ipotetica missione propulsiva e di confrontare gli impulsi specifici delle diverse formulazioni, di cui inoltre sono state studiate la fattibilità e le proprietà calorimetriche. Si è valutato l’effetto del coating di magnesio sulla reazione di reticolazione, sulla viscosità e sulla reattività della formulazione, confrontando i risultati con una formulazione base di polibutadiene-boro. Le polveri sono state anche analizzate con granulometria laser e X-Ray Diffraction, che ha rivelato la presenza inaspettata di un boride di magnesio (Mg2B25). Si ritiene che quest’ultimo sia in gran parte responsabile dei risultati ottenuti.