Determining the effect of multiple ballistic modifiers in AP/HTPB propellants using design of experiments

In this work the application of Design of Experiment method is used to study the influence that various ballistic modifiers have on the performance of an AP/HTPB solid propellant. A full factorial analysis is built choosing as independent factors the weight fractions of three different compounds: lithium fluoride and azodicarbonamide, part of the coolants category; and hematite, a common burning rate enhancer. The mapping of the singular and interaction effects on the burning rate, pressure deflagration limit and theoretical specific impulse is performed in the range of concentrations between zero and one percent for all the substances; while a further investigation for lithium fluoride and iron oxide is performed between zero and three percent of weight ratio. Experimental data are obtained through the testing of eleven different propellant formulations containing all the combinations of considered additives. The results show that, while the coolant effect of lithium fluoride is evident for concentrations of three percent, it exerts the opposite influence while included at one percent, decreasing the pressure deflagration limit and increasing the burning rate. It also generally raises the combustion sensitivity to pressure. It was confirmed that iron oxide enhances the burning rate stabilizing the combustion to pressure variation, while it seems to raise the pressure deflagration limit when included in this small amount. Azodicarbonamide appears to be generally ineffective on the performance when compared to lithium fluoride. Furthermore, it was discovered that the interactions of two different catalysts is negative, resulting in the majority of the cases in the nullification of all the singular benefit.

In questo elaborato il metodo di Disegno degli Esperimenti è applicato allo studio delle influenze che vari modificatori balistici hanno sulle performance di un propellente solido composto da AP/HTPB. Una analisi fattoriale completa è realizzata selezionando come fattori indipendenti le percentuali in peso di tre differenti composti: fluoruro di litio e azodicarbonamide, facenti parte della categoria dei raffreddanti; ed ematite, un noto catalizzatore di combustione. La mappatura degli effetti singoli e di interazione sulle performance di velocità di combustione, pressione di deflagrazione limite e impulso specifico teorico è sviluppata nell'intervallo di concentrazioni tra lo zero e l'uno percento; mentre un ulteriore approfondimento è stato realizzato per il litio fluoruro e l'ossido di ferro tra lo zero e il tre percento di frazione massica. I dati sono ricavati sperimentalmente per undici diverse formulazioni di propellente contenenti tutte le combinazioni di additivi considerate. I risultati rivelano che, mentre l'effetto raffreddante del litio fluoruro è evidente a concentrazioni del tre percento, esso esercita un'influenza opposta in concentrazioni all'uno percento, diminuendo la pressione limite e accelerando il rateo di combustione. Generalmente aumenta la sensibilità della combustione alla pressione. È stato confermato che l'ossido di ferro migliori la velocità di combustione stabilizzandola nei confronti di variazioni di pressione, d'altra parte risulta aumentare la pressione di deflagrazione quando incluso in queste piccole quantità. L'azodicarbonamide risulta generalmente essere poco influente sulle performance a paragone con il fluoruro di litio. È stato inoltre scoperto che l'interazione tra due differenti catalizzatori è negativa, risultando nella maggior parte dei casi nell'annullamento di ogni beneficio tratto singolarmente.