Detailed analysis of ultrasound measurement technique in composite solid propellants

Burning rate is a key parameter for solid rocket motors design. Many techniques, therefore, have been developed to make the measure non-intrusive: one of these, very used, exploits ultrasound waves. In this paper, an analysis has been carried out on the transmission of ultrasound in solid propellants under no-flame conditions. The heterogeneous nature of the material and the operating conditions may interfere with the propagation of the sound wave. The present study aims at investigating the response of the waves across the propellant, changing composition particle size, and storage temperature. With regards to propagation speed, it has been observed that 18% of aluminum content produces a slowing of the wave compared to formulations with low or zero quantities of aluminium (Al<1%). It is not yet clear how the effect of particle size affects the propagation as no substantial differences were noticed between propellants with equal formulation but different particle size. The linear relation with temperature has been confirmed: as it increases, the speed of the wave in the propellant decreases. The analysis of the reflection profile of the wave led to the observation of a strong attenuation for all formulations and a distortion of the wave that made more difficult to identify peaks after the first one. Except from a full signal attenuation in propellants with coarse oxidizer AP, no further information on attenuation and distortion could be obtained as the uncertainty values of the measurements are too high.

La velocità di combustione è un parametro fondamentale per il design dei motori a combustibile solido. Molte tecniche sono state sviluppate per rendere la misura non intrusiva: una di queste, molto utilizzata, sfrutta le onde a ultrasuoni. Nel presente elaborato è stata condotta un’analisi sulla trasmissione degli ultrasuoni nei propellenti solidi che, a causa della loro natura eterogenea e delle condizioni di alte temperature e pressione a cui sono sottoposti durante la combustione, possono interferire con la propagazione dell’onda. Lo studio del comportamento dell’onda è stato condotto variando composizione, dimensione delle particelle e temperatura del propellente. Per quanto riguarda la velocità di propagazione, è stato possibile osservare che propellenti composti al 18% da polveri di alluminio producono un rallentamento dell’onda rispetto alle formulazioni con bassi o nulli quantitativi di alluminio (Al<1%). Non è ancora chiaro come l’effetto della dimensione delle particelle si ripercuota sulla propagazione poichè non sono state notate differenze sostanziali tra i propellenti con uguale formulazione ma dimensione di particelle diverse. È stata confermata la relazione lineare con la temperatura: al suo aumentare la velocità dell’onda nel propellente diminuisce. L’analisi del profilo di riflessione dell’onda ha portato all’osservazione di un forte attenuazione per tutte le formulazioni e a una distorsione dell’onda che ha reso più difficile l’identificazione dei picchi dopo il primo. A parte una completa attenuazione del segnale nei propellenti a base di ossidante AP con particelle grossolane, non è stato possibile trarre ulteriori informazioni sull’attenuazione e sulla distorsione poiché i valori di incertezza delle misure sono troppo alti.