Reaction of Al/Fe2O3 thermite powders in confined geometries under atmospheric conditions: modelling and experiments

The growing number of space debris represents a potential bottleneck to future space endeavours. If left unchecked, space access may become unfeasible over the following decades. New techniques and methodologies, part of the innovative field of Design-for- Demise, are being developed to expedite the destruction of re-entering objects and prevent space debris accumulation. This work is part of Thermite-for-Demise, a subfield of Designfor- Demise focused on the study and use of thermite charges, which are of interest for their high energy content, relative stability and vacuum ignitability. This thesis focused on the atmospheric combustion of Al/Fe2O3 powders within an enclosed metallic structure, with the aims of designing an experimental apparatus capable of safe and consistent thermite ignition and related algorithms for the computation of combustion efficiency and developing a tunable numerical model of thermite combustion. The past on-ground campaign conducted at SPLab, consisting of igniting confined thermites via a hot-air blower, was reviewed, with new tests to estimate previously unaccounted thermal losses. Inaccuracies in parameter estimation, high inaccuracies and considerations on the measuring apparatus resolution prompted a near-complete overhaul of the experimental apparatus. The updated on-ground campaign featured a hollow alumina cylinder with internal resistors instead of the hot air blower. Different thermite blends were considered, which led to observing two different reaction dynamics, stationary and erupting. Findings proved the efficacy of the ignition apparatus, but the extremely variable efficiency readings suggested the need for a more advanced measuring system, while the observed dynamics showed the need for further studies of thermite reaction mechanics. A solid-state finite element model of thermite combustion was developed and validated by comparison with experiments. High model sensitivity to variations in the main kinetic parameters was observed, stressing the importance of precisely defining their values to accurately represent a chosen blend. The numerical model proved suitable to represent stationary thermites.

Il crescente numero di detriti spaziali rappresenta un problema che, se non affrontato, potrebbe rendere impossibile l’accesso allo spazio nel corso dei prossimi decenni. Nuove tecniche per accelerare la distruzione di satelliti al rientro e prevenire la formazione di detriti sono in fase di sviluppo nell’innovativo settore del Design-for-Demise. Questo lavoro è parte del Thermite-for-Demise, sottosettore del Design-for-Demise con focus l’uso di cariche di termite, di interesse per il loro elevato contenuto energetico, relativa stabilità e infiammabilità in vuoto. Questa tesi si è concentrata sulla combustione in atmosfera di polveri Al/Fe2O3 confinate in una struttura metallica, con il fine di progettare un apparato per l’innesco stabile di termiti e relativi algoritmi di calcolo di efficienza di combustione e sviluppare un modello numerico regolabile della combustione della termite. La precedente campagna sperimentale condotta presso lo SPLab, in cui una soffiante è stata usata per accendere termiti confinate, è stata riesaminata, con nuovi test per stimare le perdite termiche. Imprecisioni nella stima di parametri, elevate incertezze e considerazioni sulla risoluzione del sistema di misurazione hanno portato a estensive modifiche all’apparato sperimentale. Nella nuova campagna una candela SAIDH a resistenze interne ha sostituito la soffiante. Diverse miscele sono state testate e due diverse dinamiche di reazione osservate, stazionaria ed eruttiva. I test hanno dimostrato l’efficacia nell’accensione, ma le letture di efficienza estremamente variabili hanno suggerito la necessità di un sistema di misurazione più avanzato, mentre le due diverse dinamiche osservate hanno evidenziato la necessità di ulteriori studi sulla meccanica di reazione della termite. Un modello agli elementi finiti di combustione solida è stato sviluppato e validato attraverso confronto con esperimenti. È stata osservata un’elevata sensibilità del modello a variazioni dei principali parametri cinetici, evidenziando l’importanza di definirne con precisione il valore per rappresentare accuratamente una miscela scelta. Il modello si è rivelato adatto a descrivere termiti stazionarie.