Mg-B dual metal powders as performance enhancer for solid rocket propellants

In this work, innovative metal powders are tested with the purpose of improving the performance of solid propellants. Metal powders can be used as fuel components in solid propellants thanks to their high density and high energy release when burned. Since their first use as additives, many different kinds of metals have been tested in order to improve the propellants performance, but at present time only Aluminum powders are employed to accomplish this purpose with the necessary safety, reliability, and relatively low costs, despite the loss of efficiency due to the resulting two-phase exhaust flow, which limits increases in specific impulse. When substituted to conventional Aluminum, powders under investigation, composed of Boron particles coated by a Magnesium layer, ensures a significant improvement in terms of regression rate of the solid grain, and overcomes the problems related to the formation of agglomerates, since no agglomeration phenomena is observed on the propellants surface during combustion. This study is aimed to evaluate the changes in propellants burning characteristics as a function of both the Boron purity and the Magnesium layer thickness, finding the metals mass ratio which leads to the best performance. Therefore, different formulations are tested, in which Magnesium fraction and Boron purity are varied. The reference propellant is a formulation representative of the Ariane V solid rocket boosters, with a 68/18/14 mass fraction of Ammonium Perchlorate, metal fuel and binder (HTPB) respectively. Steady burning rate estimation, together with combustion surface visualization and evaluation of the propellants density are the parameters taken into account to compare these new, groundbreaking, additives to the traditional micrometric Aluminum used in the European launcher propellant. Furthermore, combined use of Al and MgB powders has been studied, with the intent of observe an increase of the regression rate and a reduction of the agglomerates number and mean dimension of the aluminized propellants. The results obtained in this study have shown a low sensitivity of regression rate as a function of Boron purity and Magnesium mass fraction, while more significant appear to be the effect of Magnesium layer on agglomeration phenomena in propellants with the MgB + Al mixed formulation. Specifically, Boron covered with 25% of Magnesium produce agglomerates with a mean diameter less than a half compared to those of the reference formulation, while no relevant changes can be observed with less Magnesium fraction.

In questo lavoro sono state testate innovative polveri metalliche con lo scopo di migliorare le prestazioni dei propellenti solidi. L’alta densità e l’elevato calore di combustione sono i punti di forza delle polveri metalliche, che ne fanno un ottimo combustibile da utilizzare nel campo della propulsione solida. Il loro impiego è pratica comune da ormai molti anni, e durante lo sviluppo di questa tecnologia svariati metalli sono stati testati con lo scopo di migliorare le prestazioni dei propulsori. Attualmente solo l’Alluminio, utilizzato comunemente in dimensioni micrometriche, riesce ad apportare rilevanti incrementi delle prestazioni, garantendo al tempo stesso il necessario grado di sicurezza ed affidabilità, senza incidere in modo eccessivo sui costi. Nonostante queste peculiarità, l’utilizzo dell’Alluminio ha un grande limite nel fenomeno dell’agglomerazione, che da luogo a ingenti perdite di prestazioni dovute all’efflusso bifase. Quando sostituite all’Alluminio, le polveri esaminate, composte da Boro ricoperto da uno strato di Magnesio, assicurano un significativo aumento in termini di regressione del grano solido, annullando al contempo il problema legato alla formazione degli agglomerati, di cui non vi è traccia sulla superficie di combustione. Questo studio mira a valutare la variazione delle caratteristiche di combustione del propellente in funzione sia della purezza del Boro utilizzato, sia dello spessore di Magnesio che lo ricopre, determinando quale sia il rapporto tra le masse dei due metalli che fornisce le prestazioni migliori. A questo scopo sono state testate sei diverse formulazioni che differiscono l’un l’altra per la purezza del Boro e la frazione massica del Magnesio. Il propellente usato come riferimento è dato da una formulazione rappresentativa del propellente impiegato all’interno degli MPS dell’Ariane V, che prevede una distribuzione percentuale di Perclorato di Ammonio, combustibile metallico e legante del 68%, 18% e 14% rispettivamente. La stima della velocità di combustione e la visualizzazione della superficie di combustione sono, insieme alla valutazione della densità del propellente, i parametri utilizzati per paragonare queste sperimentali polveri metalliche con il tradizionale Alluminio micrometrico utilizzato nel propellente del lanciatore europeo. Inoltre è stato testato l’utilizzo combinato di Al e MgB, con una percentuale di quest’ultimo del 3% in massa a fronte di una percentuale di Alluminio del 15%, con l’intento di rilevare la variazione della velocità di regressione e della dimensione media degli agglomerati in funzione della composizione delle polveri di MgB. I risultati ottenuti mostrano modeste variazioni della velocità di regressione in funzione sia della purezza del Boro che della percentuale di Magnesio, sia nel caso si tratti dei propellenti con solo MgB, sia nel caso della formulazione mista MgB + Al. Più significativo risulta essere l’effetto dello strato di Magnesio sul fenomeno dell’agglomerazioni quando le polveri metalliche in esame vengono testate nella formulazione mista MgB + Al. In particolar modo le polveri ricoperte con il 25% di Magnesio producono agglomerati di dimensione media pari alla metà rispetto a quelli della formulazione di riferimento, mentre non sembrano apportare variazioni rispetto alla formulazione tradizionale le polveri in cui la percentuale di magnesio è inferiore.