Extinction properties and thermal wave reconstruction of LiF-based solid propellants

The development of controllable propellants able to burn in different operative conditions requires new diagnostics techniques. In this work it is developed a new tool for the inspection of combustion transients of heterogeneous propellants. The solution proposed is build up on the frozen combustion condition. This particular condition it is reached by the extinction of burning propellant sample by means of fast and slow depressurization. The analysis begins with the tomographic reconstruction of the extinct sample. The analysis has been implemented on tomographic volumetric data and the results produced are 3D. From every voxel's colour it is computed the extinguished surface, exploiting the difference with the background, and thermal wave, considering colours' evolution from virgin material to the extinguished part. In the course of the work it is evaluated the analysis in two different frameworks: the RGB and the NR. The first considers the full colour scales for the representation of the propellant's sample constitutive elements and the second in which the contribution of red scale it is removed. Both types provide the reconstruction of extinguished surface, thermal wave, and the inspection of the composition in the area between the extinguished surface and the thermal wave. In the area where it is applied the composition inspection defines binder and oxidizer content but not the single constitutive elements. The evaluation of the best methodology is based on the average thermal wave values. From the tests performed on LiF-based propellants the best trade off between computational cost and final result is offered by the analysis without red scale, named NR. The developed technique allows the thermal wave identification inside the propellant's sample, and it is in compliance with the expected from burning rate before extinguishment. In facts, a faster depressurization results in a thinner thermal wave while a lower depressurization in thicker one. The knowledge of the effects of lithium fluoride, as a ballistic modifier, has been expanded by the characterization of burning rate and the PDL dependence on shape factor of the new formulations produced.

Lo sviluppo di un propellente controllabile capace di sostenere la combustione in differenti condizioni operative richiede nuove tecniche di diagnostica. In questo lavoro viene sviluppato un nuovo strumento per l'ispezione dei transitori di combustione di propellenti eterogenei. La soluzione proposta è fondata sulla singola condizione di combustione congelata. Si raggiunge questa particolare condizione con l'estinzione per mezzo di una depressurizzazione lenta o veloce di un campione di propellente che sta bruciando. L'analisi inizia dalla ricostruzione tomografica del campione estinto. L'analisi è implementata sui dati volumetrici della tomografia e produce risultati 3D. Dal colore di ogni voxel viene calcolata la superficie estinta, sfruttando la differenza con lo sfondo, e l'onda termica, considerando l'evoluzione dei colori dal materiale vergine alla parte estinta. Nel corso di questo lavoro si confronta l'analisi in due differenti sistemi: quello RGB e quello NR. Nel primo si rappresentano gli elementi costitutivi del campione di propellente nella completa scala cromatica mentre nel secondo si rimuove il contributo della scala rossa. Entrambi portano alla ricostruzione della superficie estinta, dell'onda termica e l'ispezione della composizione nell'area compresa tra la superficie estinta e l'onda termica. Dove applicata l'ispezione della composizione definisce il contenuto di legante e ossidante, ma non dei singoli elementi costituivi. La valutazione della miglior metodologia è basata sui valori medi dell'onda termica. Dai test condotti su propellenti a base di LiF il miglior compromesso tra costo computazionale e risultato finale è offerto dall'analisi senza la gamma dei rossi, denominata NR. La tecnica sviluppata permette l'identificazione dell'onda termica all'interno del campione di propellente in accordo con quanto atteso dalla velocità di combustione prima dell'estinzione. Infatti, a una depressurizzazione rapida risulta un'onda termica più sottile mentre per una lenta depressurizzazione una più spessa. La conoscenza degli effetti del fluoruro di litio, come modificatore balistico, è stata ampliata dalla caratterizzazione della velocità di combustione e dall'analisi dipendenza della PDL dai fattori di forma delle nuove formulazioni prodotte.