The emission of agglomerates during the combustion of an aluminized solid propellant grain in a solid rocket engine is a problem responsible for the detriment of the speci c impulse and to the erosion of the nozzle throat. In this respect, since the agglomerate size plays a key role, the measurement of the condensed combustion products generated during the solid propellant burning is extremely important to predict the actual performance of a solid rocket motor. The objective of this work is the de nition and the validation of a new procedure for the collection and the analysis of condensed combustion products. Two series of propellants have been selected for the experimental campaign to guarantee the highest reliability. There were burned and analyzed classical Ammonium Perchlorate based propellants and two kinds of eco-friendly propellants based on Ammonium Nitrate as oxidizer. Several aluminum powders comprising standard micrometric aluminum, nanometric aluminum and activated aluminum have been considered as well. The so called "green" propellants su ers from di erent problems that span from the lack of burning rate to the production of big residues if compared to classical formulations. Conversely, the propellants based on ammonium perchlorate generates smaller agglomerates depending on the size of the metal fuel. Then, the new procedure has been tested with di erent kind of condensed combustion products showing a general good repeatability with big agglomerates and some problems with small residues. From the experience gained during the experimental campaign, the conceptual design of new components of the experimental line directly involved in the collection of the condensed combustion particles has been executed.

La produzione di agglomerati in fase condensata durante la combustione di un propellente solido alluminizzato in razzi a propellente solido è responsabile di una sensibile perdita di prestazioni e dell'erosione della gola dell'ugello. Posto che la dimensione degli agglomerati gioca un ruolo fondamentale, l'analisi dei prodotti generati dalla combustione di propellenti solidi è estremamente importante per predire le prestazioni reali di un motore. Il presente lavoro di tesi intende de nire e validare una nuova procedura di raccolta ed analisi dei residui solidi di combustione. Sono state selezionate due famiglie di propellenti per le campagna sperimentale in modo da ottenere la maggior generalità possibile. I propellenti analizzati sono propellenti classici basati su perclorato d'ammonio e due tipologie di propellenti "ecologici" che utilizzano nitrato d'ammonio come ossidante. Sono state adottate molteplici polveri metalliche spaziando da polveri micrometriche e nanometriche di alluminio no a polveri, sempre d'alluminio, attivate meccanicamente. I propellenti ecologici so rono di alcune problematiche fra cui scarsa velocità di regressione e formazione di agglomerati di dimensioni ragguardevoli rispetto a propellenti classici a base di AP. D'altra parte, i propellenti a classici generano residui più piccoli la cui dimensione è legata alla tipologia di polvere metallica utilizzata. Si è proceduto a testare la nuova procedura con diversi residui di combustione mostrando una generale buona ripetibilità dei risultati con agglomerati grandi. In ne, l'esperienza maturata durante lo svolgimento dei test ha permesso di effettuare la progettazione di nuove componenti della linea sperimentale direttamente colelgati alla raccolta dei residui.

Accuracy improvement of collection procedure for solid propellant agglomerates in a quench bomb

GIBERTONI, STEFANO
2015/2016

Abstract

The emission of agglomerates during the combustion of an aluminized solid propellant grain in a solid rocket engine is a problem responsible for the detriment of the speci c impulse and to the erosion of the nozzle throat. In this respect, since the agglomerate size plays a key role, the measurement of the condensed combustion products generated during the solid propellant burning is extremely important to predict the actual performance of a solid rocket motor. The objective of this work is the de nition and the validation of a new procedure for the collection and the analysis of condensed combustion products. Two series of propellants have been selected for the experimental campaign to guarantee the highest reliability. There were burned and analyzed classical Ammonium Perchlorate based propellants and two kinds of eco-friendly propellants based on Ammonium Nitrate as oxidizer. Several aluminum powders comprising standard micrometric aluminum, nanometric aluminum and activated aluminum have been considered as well. The so called "green" propellants su ers from di erent problems that span from the lack of burning rate to the production of big residues if compared to classical formulations. Conversely, the propellants based on ammonium perchlorate generates smaller agglomerates depending on the size of the metal fuel. Then, the new procedure has been tested with di erent kind of condensed combustion products showing a general good repeatability with big agglomerates and some problems with small residues. From the experience gained during the experimental campaign, the conceptual design of new components of the experimental line directly involved in the collection of the condensed combustion particles has been executed.
DOSSI, STEFANO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
21-dic-2016
2015/2016
La produzione di agglomerati in fase condensata durante la combustione di un propellente solido alluminizzato in razzi a propellente solido è responsabile di una sensibile perdita di prestazioni e dell'erosione della gola dell'ugello. Posto che la dimensione degli agglomerati gioca un ruolo fondamentale, l'analisi dei prodotti generati dalla combustione di propellenti solidi è estremamente importante per predire le prestazioni reali di un motore. Il presente lavoro di tesi intende de nire e validare una nuova procedura di raccolta ed analisi dei residui solidi di combustione. Sono state selezionate due famiglie di propellenti per le campagna sperimentale in modo da ottenere la maggior generalità possibile. I propellenti analizzati sono propellenti classici basati su perclorato d'ammonio e due tipologie di propellenti "ecologici" che utilizzano nitrato d'ammonio come ossidante. Sono state adottate molteplici polveri metalliche spaziando da polveri micrometriche e nanometriche di alluminio no a polveri, sempre d'alluminio, attivate meccanicamente. I propellenti ecologici so rono di alcune problematiche fra cui scarsa velocità di regressione e formazione di agglomerati di dimensioni ragguardevoli rispetto a propellenti classici a base di AP. D'altra parte, i propellenti a classici generano residui più piccoli la cui dimensione è legata alla tipologia di polvere metallica utilizzata. Si è proceduto a testare la nuova procedura con diversi residui di combustione mostrando una generale buona ripetibilità dei risultati con agglomerati grandi. In ne, l'esperienza maturata durante lo svolgimento dei test ha permesso di effettuare la progettazione di nuove componenti della linea sperimentale direttamente colelgati alla raccolta dei residui.
Tesi di laurea Magistrale
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