Solid propulsion has represented an attractive solution in the rocketry field for decades. The combination of high reliability and low manufacturing costs makes solid propellant systems a valuable option, although their performances are limited. Ammonium perchlorate is a key ingredient in the manufacturing of solid propellants, as it grants the best performances among the available to date oxidizers. Unfortunately, its combustion re leases chloride ions that, in contact with the atmospheric moisture, generate hydrochloric acid. The release of such acid has generated numerous documented effects on the environment such as ozone depletion, acid rains and flora and fauna mortality in the launch site near field. However, scarce literature has been written on solid propellants soil pollution. Thus a more complete understanding is needed. The aim of this thesis is to obtain a complete characterization of soil pollution and acidification due to solid propellant combustion products. The aluminized propellant of ARIANE V P241 solid rocket booster is used as baseline. The results have then be compared with a green formulation obtained with the partial substitution of aluminum with magnesium. Thermodynamic analyses highlight the possibility of neutralizing almost completely the HCl produced. Two different macro-experiments are carried out: the first one is dedicated to the analysis of the post-combustion products released in the soil, while the second one is dedicated to the soil acidification level and, accordingly, to the assessment of its acid neutralizing capacity. Experiments of this kind have never been done before on a laboratory scale. In order to do so a dedicated test facility has been designed and built at the Space Propulsion Laboratory (SPLab) of Politecnico di Milano. The experimental setup has shown repeatability of the results and robustness. No significant changes in DEHP, NPs, PCBs and PAHs have been detected. However, soil depletion has been detected. Finally, the HCl neutralization process of the green formulation has been assessed along with the soil acid neutralization capability.
La propulsione solida rappresenta da decenni una attraente soluzione nel campo missilistico. Infatti, l’elevata affidabilità e i bassi costi di produzione rendono i propellenti solidi difficili da essere sostituiti, anche se contraddistinti da prestazioni contenute. Ingrediente chiave nella manifattura dei propellenti solidi è il perclorato di ammonio, in quanto offre le migliori prestazioni tra gli ossidanti. Tuttavia, la sua combustione rilascia ioni cloruro che, a contatto con l’umidità atmosferica, generano acido cloridrico. Il rilascio di tale acido è causa di numerosi e documentati effetti sull’ambiente quali l’assottigliamento dello strato di ozono, la formazione di piogge acide e la mortalità di flora e fauna nei pressi del sito di lancio. Per contro, la letteratura riguardante l’impatto dei propellenti solidi sul suolo è limitata, rendendo quindi necessaria una maggiore comprensione dell’argomento. Lo scopo di questa tesi è di ottenere una completa caratterizzazione riguardo l’inquinamento del suolo e la sua acidificazione, dovuti al rilascio dei prodotti di combustione dei propellenti solidi. Il propellente alluminizzato del razzo P241 di ARIANE V è usato come baseline. I risultati sono poi stati comparati con quelli di una composizione ’green’ ottenuta tramite la parziale sostituzione di alluminio con magnesio. I calcoli termodinamici preliminari evidenziano infatti la possibilità di abbattere la quantità di HCl generata. Due diversi macro esperimenti sono stati svolti: il primo è volto all’analisi dei prodotti di combustione rilasciati nel suolo mentre, il secondo, ha come obiettivo lo studio dell’acidificazione del suolo e, di conseguenza, la sua capacità di fungere da tampone. Esperimenti di questo tipo non sono mai stati fatti a livello di laboratorio. A tal fine è stata progettata e realizzata una linea sperimentale dedicata al Laboratorio di Propulsione Aerospaziale (SPLab) del Politecnico di Milano. L’apparato sperimentale ha mostrato ripetibilità nei risultati ottenuti e robustezza. Non è stata rilevata una variazione significativa di DEHP, NPs, PCBs e IPA. Tuttavia, è stato osservato un impoverimento del suolo. Infine, la neutralizzazione dell’HCl da parte del propellente green è stata confermata, sia nell’acqua che nel suolo, così come la capacità di quest’ultimo di fungere da tampone.
The environmental impact of solid propulsion: analysis of soil pollution
Corcione, Alessandro Domenico
2022/2023
Abstract
Solid propulsion has represented an attractive solution in the rocketry field for decades. The combination of high reliability and low manufacturing costs makes solid propellant systems a valuable option, although their performances are limited. Ammonium perchlorate is a key ingredient in the manufacturing of solid propellants, as it grants the best performances among the available to date oxidizers. Unfortunately, its combustion re leases chloride ions that, in contact with the atmospheric moisture, generate hydrochloric acid. The release of such acid has generated numerous documented effects on the environment such as ozone depletion, acid rains and flora and fauna mortality in the launch site near field. However, scarce literature has been written on solid propellants soil pollution. Thus a more complete understanding is needed. The aim of this thesis is to obtain a complete characterization of soil pollution and acidification due to solid propellant combustion products. The aluminized propellant of ARIANE V P241 solid rocket booster is used as baseline. The results have then be compared with a green formulation obtained with the partial substitution of aluminum with magnesium. Thermodynamic analyses highlight the possibility of neutralizing almost completely the HCl produced. Two different macro-experiments are carried out: the first one is dedicated to the analysis of the post-combustion products released in the soil, while the second one is dedicated to the soil acidification level and, accordingly, to the assessment of its acid neutralizing capacity. Experiments of this kind have never been done before on a laboratory scale. In order to do so a dedicated test facility has been designed and built at the Space Propulsion Laboratory (SPLab) of Politecnico di Milano. The experimental setup has shown repeatability of the results and robustness. No significant changes in DEHP, NPs, PCBs and PAHs have been detected. However, soil depletion has been detected. Finally, the HCl neutralization process of the green formulation has been assessed along with the soil acid neutralization capability.File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/10589/214703