Influence of ADN/nitramine mixtures on the burning behaviour of composite propellants with inert and energetic binders

The development of environmentally friendly propellants with low signature characteristics and higher energy density has been of great interest in recent years and it led the scientific community to find an alternative to Ammonium Perchlorate (AP), by far the most employed oxidizer in solid propulsion. Ammonium Dinitramide (ADN) represents the most promising candidate. The current work is aimed to investigate the burning behaviour of this oxidizer in combination with inert and energetic binder, polyTetrahydrofuran (pTHF) and Glycidyl Azide Polymer (GAP) respectively. In this regard, specular formulations were produced in order to highlight the differences of the two binders coupled with ADN. Furthermore, the study intends to assess the influence of an energetic material, cyclotetramethylene-tetranitramine (HMX), to tailor the ballistic properties of these propellants. The burning rate and the combustion temperatures measurements were performed in a chimney-type window bomb in the pressure range from 2 to 13 MPa, by means of a high-speed camera and an emission spectrometer. The burning interruption was carried out in dedicated tests at low pressure, with an ad hoc newly developed setup. The results have pointed out substantial differences in the behaviour of ADN in combination with the inert and the active binder. The pTHF/ADN propellants exhibit a very high ballistic exponent beyond the required limits (>0.7) and a moderate regression rate. On the other hand, GAP/ADN formulations feature acceptable pressure dependence (~0.3-0.4), but a considerably high burning rate that makes their employment difficult in civil applications. The addition of HMX affects these parameters; its influence depends on the nature of the binder and on the amount of energetic filler added. Computed tomographies and SEM images of quenched samples proved the good synergy among the ingredients in GAP/ADN propellants, as evidenced by the combustion surface which appears smooth and planar. On the other side, some issues arose about the coupling of ADN with pTHF: a poor interaction is, in fact, acknowledged, underlined by the rapid decomposition of the oxidizer and the weak proneness to react of the binder, which melts and covers on the reaction surface.

Lo sviluppo di propellenti a ridotto impatto ambientale, con caratteristiche di bassa tracciabilità e maggiore densità energetica è di grande interesse negli ultimi anni e ha spinto la comunità scientifica a cercare un’alternativa al perclorato di ammonio (AP), di gran lunga l’ossidante più utilizzato nella propulsione solida. L’ammonio dinitramide (ADN) costituisce il candidato più promettente. Il presente studio si propone di esaminare il meccanismo di combustione di questo ossidante in combinazione ad un legante inerte ed uno energetico, rispettivamente politetraidrofurano (pTHF) e polimero di azoturo di glicidile (GAP). A tal proposito, sono state realizzate formulazioni speculari per evidenziare le differenze tra i due leganti accoppiati con ADN. Si intende inoltre valutare l'influenza di un materiale energetico, ciclotetrametilene-tetranitramina (HMX), per modificare le proprietà balistiche dei tali propellenti. Dalle prove di combustione effettuate da 2 a 13 MPa, sono stati misurati il rateo di combustione e le temperature di reazione mediante, rispettivamente, una videocamera ad alta velocità ed uno spettrometro di emissione. L’interruzione di combustione è stata realizzata in prove dedicate a bassa pressione, mediante un setup appositamente sviluppato. I risultati hanno rivelato sostanziali differenze nel comportamento dell’ADN in combinazione con i due leganti. I propellenti a base di pTHF/ADN condividono un alto esponente balistico (>0.7) ed una modesta velocità di regressione. Diversamente, le formulazioni GAP/ADN vantano una bassa dipendenza dalla pressione (~0.3-0.4), ma un rateo di combustione molto elevato. L’HMX influisce su entrambi questi parametri, in modo differente a seconda del quantitativo introdotto e del legante usato. Le indagini mediante tomografia computerizzata e microscopio elettronico dei campioni estinti hanno mostrato la buona sinergia tra gli ingredienti nei propellenti GAP/ADN, evidenziato dalla superficie di combustione liscia e planare, mentre sono emersi alcuni problemi relativi all’accoppiamento pTHF/ADN: si ravvisa infatti una scarsa interazione, sottolineata dalla rapida decomposizione dell’ossidante e dalla debole propensione a reagire del legante, che fonde e ricompre la superficie di reazione.