Effetti della struttura di fiamma sull'agglomerazione nei propellenti solidi eterogenei alluminizzati

Aluminized solid propellants are characterized by the agglomeration of aluminium powder on combustion surface. The agglomerates, that are released into the gas phase, provide a multiphase flow into the engine that leads to very high performance losses. The comprehension and the control of this phenomenon are very important for the optimization of propellant formulation. Objective of this work is the study of the agglomeration phenomenon related to propellant heterogeneity. The problem has been studied with a numerical-experimental approach involving the internal propellant structure by the addition of an increasing fraction of fine AP. For every propellant formulation, the composition, the dimension and the collection radius of the pocket have been computed using a specific packing code. In addition, the flame length and the pocket adiabatic flame temperature computation have been performed. Finally, the results are related and analyzed to obtain the conclusions. The choice of propellant formulation involved the study of inner propellant microstructure using the packing code developed by the Center for Simulation of Advanced Rockets (CSAR). A spatial statistic algorithm and a thermochemical flame model have also been used for the study of inner heterogeneous propellant structure. The experimental campaign has been entirely conducted in the Space propulsion Laboratory of Politecnico di Milano (SPLab) involving seven different AP/HTPB/Al based composite propellants. The propellants have been made with two different methodologies, A and B. To modify their microstructure, the propellants have been made keeping the same ingredients mass fraction and varying the granulometry of the oxidant powder. The use of standardized optical and digital techniques allowed the measurement of the burning rate and of the agglomeration mean mass diameter. Experimental data are been used into granular diffusion flame model to compute the flame length and the mean surface temperature. From the final analysis of the experimental and numerical results emerges that the burning rate is not the only parameter that influence the agglomeration process. A propellant microstructure dependence also exists. In particular it has been demonstrated the dependence of the agglomeration process from the flame length, from the pocket adiabatic flame temperature and from the composition of the pocket.

I propellenti solidi alluminizzati sono interessati dal fenomeno dell’agglomerazione delle polveri metalliche sulla superficie di combustione. Il particolato che ne deriva genera un flusso multifase all’interno del motore che, a sua volta, comporta perdite di prestazione. Il controllo e la comprensione di questo fenomeno sono pertanto importanti per l’ottimizzazione delle formulazioni. Obiettivo del presente lavoro di tesi è lo studio del fenomeno dell’agglomerazione in relazione all’eterogeneità del propellente ed ai molteplici aspetti ad essa connessi. Il problema viene affrontato con un approccio numerico-sperimentale agendo sulla struttura interna del propellente mediante l’inserimento di AP fine ed analizzando le variazioni nella dimensione media degli agglomerati. Per ciascuna formulazione si è provveduto al calcolo della composizione, della dimensione e del raggio di collezione del pocket mediante apposito codice d’impacchettamento. Si sono calcolate inoltre la temperature adiabatiche di fiamma del pocket, e le lunghezze di fiamma del propellente. I risultati sono stati infine confrontati ed analizzati per l’elaborazione delle conclusioni. La scelta delle formulazioni è stato preceduto dallo studio della microstruttura eterogenea del propellente svolta mediante il codice d’impacchettamento sviluppato presso il CSAR di Urbana Champaign(Illinois), algoritmi di statistica spaziale e modellazione termochimica della fiamma. L’indagine sperimentale, interamente svolta presso il Laboratorio di Propulsione Aerospaziale (SPLab), ha coinvolto sette propellenti a base di AP/HTPB/Al prodotti con due metodiche differenti (A e B). I propellenti sono stati sintetizzati mantenendo costanti le frazioni massiche degli ingredienti e variando la granulometria dell’ossidante in modo da modificare la struttura interna. I propellenti prodotti sono stati caratterizzati. L’uso di tecniche standardizzate ha permesso infine la misura della velocità di combustione e della dimensione media degli agglomerati. I dati sperimentali sono stati utilizzati nel modello di fiamma GDF per il calcolo delle lunghezze di fiamma e delle temperature superficiali. Dall’elaborazione finale dei risultati numerici e sperimentali si è confermato che la velocità di combustione non è l’unico parametro che controlla l’agglomerazione, ma che esiste una dipendenza dalla microstruttura del propellente. In particolare si è dimostrata la dipendenza della dimensione media degli agglomerati dalla lunghezza di fiamma nonché dalla dimensione, dalla composizione e dalla temperatura adiabatica di fiamma del pocket.