Thermo-mechanical beahviour of ammonium nitrate propellants

Solid rocket motors are widely used in space propulsion thanks to their advantages: high thrust to weight ratio (above unity), simplicity, low implementation cost, reduced number of components, and operational readiness. Most of the propellants that are used in commercial flights contain ammonium perchlorate (AP) as oxidizer which have non-negligible environmental impact. A possible replacement for AP is presented by ammonium nitrate (AN), a chlorine free oxidizer. However, its use in large rocket motors is restricted due to some of its adverse characteristics like hygroscopicity, near room temperature phase transformation involving volume change and reduced performance. This work focuses on the phase transition property of ammonium nitrate, as it is accompanied by the sensible volume increase and the ultimate mechanical strength of the salt. After a general overview on ammonium nitrate and on its behaviour under thermal cycling, the phase transition behaviour has been studied by performing experiments using various techniques. Experimental analysis includes thermal cycling under Differential Scanning Calorimeter (DSC), dilatometric tests under Dynamic Mechanical Analysis (DMA), particle size distribution after thermal cycling using laser diffraction technique. Parallelly, experiments are also performed on Phase Stabilized Ammonium Nitrate (PSAN) and blends of raw AN and PSAN in order to contrast their properties and come up with the best alternative in terms of phase stability. The work is completed by performing various thermal cycling programs and comparing the results with literature. Several phase-change paths have been identified for AN within this work, some of them being innovative with respect to the competent literature.

I motori a propellente solido sono largamente impiegati in propulsion spaziale grazie ai loro vantaggi: alto rapporto spinta peso (Sopra l’unità), semplicità, bassi costi di realizzione, ridotto numero di componenti e prontezza operativa. La maggior parte delle formulazioni utilizzate in voli commerciali contengono perclorato di ammonio (AP) come ossidante, il quale è caraterizzato da un non trascurabile impatto ambientale. Un possibile rimpiazzo per l’AP è presentato dal nitrato di ammonio (AN), un ossidante senza cloro. Tuttavia, non e’ utilizzato in motori di grande scala a causa di alcune sue caratteristiche come igrospocità, cambio di volume e di fase a temperatura ambiente e ridotte prestazioni. Questo lavoro si concentra sulle proprieta’ di transizioni di fase del nitrato di amonio, essendo quest’ultime legate alle variazioni di volume e alla resistenza meccanica dei cristalli stessi. Dopo una panoramica generale sul materiale, si presentano diversi risultati riguardanti studi di cicli termici. Si sono utilizzate analisi a scansione calorimetrica differenziale (DSC), test di dilatazione con metodologie dinamico-meccaniche (DMA), indagini di distribuzione granulometrica dopo cicli termici mediante tecniche di granulometria a diffrazione laser. Allo stesso tempo, sono stati eseguiti esperimenti con nitratto di ammonio stabilizzato (PSAN) e miscele di AN e PSAN. Il lavoro è completato comparando i risultati di diversi cicli termici e confrontando i risultati con la letteratura. Nel corso del lavoro sono stati identificati diverse modalita’ di cambiamento di fase per AN, alcuni dei quali innovativi rispetto alla letteratura competente.