Ballistic properties of AN-based solid propellants loaded with mechanically activated Al/Mg powders

Among solid propellants, aluminized AP-based formulations have been widely used due to their high performance. However, their use raises several environmental concerns as the combustion gases include highly toxic compounds, such as hydrochloric acid. Several candidates to AP have been proposed. One of the most common alternatives is ammonium nitrate, but its main inconvenient is its low regression rate. The objective of the present work is to improve the regression rate of an aluminized AN-based solid propellant. This would be achieved firstly with the addition of magnesium to the metal fuel, and secondly by mechanically alloying the Al-Mg powders to obtain a combination of both elements at microscopic scale. An extensive research has been made in order to analyse the effect of the milling parameters on the final powders. Each produced powder will be tested using DTA/TG analysis to characterize its thermal behaviour at low heating rate. Results are then compared and the best performing powder will be employed in the propellant formulation. The propellant loaded with activated Al-Mg has been characterized by means of burning rate tests at different pressures, and then compared to the baseline formulation and other propellant loaded with mechanically milled Al-Mg. Results have shown that the propellants having mechanically activated powders had a smaller pressure exponent, although the baseline formulation features a higher burning rate for mid-to high pressure ranges.

Fra tutti I propellenti solidi, quelli alluminizati a base di AP sono stati adottati largamente per le elevate prestazioni. Tuttavia il loro utilizzo solleva alcune preoccupazioni a livello ambientale, in quanto i gas combusti comprendono composti molto tossici come l’acido cloridico. Fra i molti sostituti che sono stati proposti, una delle alternative più comuni è il nitrato di ammonio, tuttavia quest’ultimo è caratterizzato da un ridotta velocità di combustione. L’obiettivo di questo lavoro è di migliorare la velocità di combustione di un propellente solido alluminizzato a base di AN. A tal fine, inizialmente viene aggiunto il magnesio al combustibile metallico, successivamente le polveri di alluminio e magnesio (Al-Mg) vengono attivate meccanicamente per ottenere una combinazione di entrambi gli elementi in scala microscopica. Per valutare gli effetti dei parametri di attivazione, sulle polveri finali sono stati eseguiti degli studi approfonditi. Ogni polvere prodotta è stata testata tramite un’analisi DTA/TG per caratterizzarne le proprietà termiche a basse velocità di riscaldamento. In seguito i risultati sono stati comparati e la polvere migliore è stata utilizzata nella produzione del propellente. Il propellente caricato con la polvere attivata di Al-Mg è stato caratterizzato tramite delle prove a diverse pressioni per valutare la velocità di combustione, successivamente è stato paragonato con la formulazione di partenza e con altri propellenti con polveri attivate di alluminio e magnesio. I risultati mostrano che i propellenti con le polveri attivate presentano un minor esponente balistico, nonostante la formulazione iniziale abbia una velocità di combustione più alta per intervalli di pressioni medio alti.