Thermal wave identification and performance characterization of LiF-based solid propellants

In this work, a full combustion characterization of AP/HTPB-based solid propellants with lithium fluoride content, both at high pressure and in sub-atmospheric conditions, is carried out. The tests performed can be divided into three different macro-categories: ballistics, thermal analysis and depressurization. Regarding the ballistics analysis, each formulation Vieille’s law parameters have been determined experimentally; an indication of the propellant pressure sensitivity can be deducted looking at the pressure exponent. The ideal specific impulses have been theoretically evaluated. The thermal analysis has been carried out to understand the lithium fluoride effect on the sub-surface reactions occurring during propellant. combustion. The pressure deflagration limit has been obtained through quasisteady depressurization; thus, the behaviour at low pressures can be observed. Finally, the quenched surfaces have been analyzed by means of a new tool, which allows to inspection of the degraded propellant zones, to gain an clearer insight of the phenomena controlling the extinction. The results reveal that, generally, lithium fluoride penalises the performance but promotes a high dependence of the burning behaviour on pressure. Otherwise, for concentrations of one percent it exhibits, at high pressures, the opposite behaviour increasing the burning rate. Also, lithium fluoride tends to increase the pressure deflagration limit; however, for propellants containing it at one percent, no substantial differences have been recorded with respect to propellant without lithium fluoride content. Considering thermal analysis, the presence of lithium fluoride slows down the reactions and anticipates the exothermic peaks linked to the decomposition.

In questo lavoro viene condotta una caratterizzazione completa della combustione di propellenti solidi a base di AP/HTPB con contenuto di fluoruro di litio, sia ad alta pressione che in condizioni sub-atmosferiche. I test eseguiti possono essere suddivisi in tre diverse macro-categorie: balistica, analisi termica e depressurizzazione. Per quanto riguarda l’analisi balistica, i parametri della legge di Vieille di ciascuna formulazione sono stati determinati sperimentalmente; un’indicazione della sensibilità alla pressione del propellente può essere dedotta guardando l’esponente di pressione. Gli impulsi specifici ideali sono stati valutati teoricamente. L’analisi termica è stata effettuata per comprendere l’effetto del fluoruro di litio sulle reazioni sotto la superficie che si verificano durante la combustione del propellente. La pressione limite di deflagrazione è stato ottenuta mediante depressurizzazione quasi stazionaria; si può così osservare il comportamento a basse pressioni. Infine, le superfici estinte sono state analizzate mediante un nuovo strumento, il quale consente l’ispezione delle zone degradate dei propellenti, per avere una visione più chiara dei fenomeni che controllano l’estinzione. I risultati rivelano che, in genere, il fluoruro di litio penalizza le prestazioni ma favorisce un’elevata dipendenza del comportamento di combustione dalla pressione. Diversamente, per concentrazioni dell’uno per cento presenta, ad alte pressioni, il comportamento opposto aumentando la velocità di combustione. Inoltre, il fluoruro di litio tende ad aumentare la pressione limite di deflagrazione; tuttavia, per i propellenti che lo contengono all’uno percento, non sono state registrate differenze sostanziali rispetto al propellente senza contenuto di fluoruro di litio. Considerando l’analisi termica, la presenza di fluoruro di litio rallenta le reazioni e anticipa i picchi esotermici legati alla decomposizione.