DEVELOPMENT OF ELECTRICALLY CONTROLLABLE SOLID PROPELLANT

Thrust in solid rockets comes in the form of fixed profiles, which are dependent upon variables such as combustion chamber pressure, nozzle and propellant grain profile. There is neither flexibility nor is it possible to shut off the engine. However, in order to overcome this issue, recent developments introduced a new class of solid propellants, denominated electrically controllable solid propellant, or ECSP. Current state of the art ECSP are called high performance electrically controllable solid propellant or HIPEP. Composed mainly by hydroxyl ammonium nitrate as electrically conductive oxidiser and by polyvinyl alcohol as binder, HIPEP formulations are not throttable at ambient pressures. Aim of this thesis is to demonstrate the possibility to develop an ambient pressure throttable composite ECSP formed mainly by a salt oxidiser along with a binder and other additives. Development started by ensuring electrical conductivity through carbon-based compounds. Once a baseline of electrically conductive propellants has been established, focus was dealt to internal ballistics which revealed a strong correlation with power surface deposition density. Combustion tests have been carried out at 1 bar in an ambient of air and nitrogen within a test apparatus where propellants regression rates are measured using a linear position transducer inside the test apparatus where electrodes are vertically placed.

La spinta negli endoreattori a combustibile solido è caratterizzata da profili fissi, che sono dipendenti dalla pressione in camera di combustione, dall’ugello e dal profilo del grano propellente. Non esiste alcuna flessibilità o possibilità di spegnere il combustibile. Tuttavia, con l’obiettivo di risolvere questa limitazione, sono stati sviluppati recentemente una nuova tipologia di propellenti solidi, denominata propellenti solidi controllabili elettricamente, o PSCE. L’attuale stato dell’arte dei PSCE viene denominato propellente solido controllabile elettricamente ad alte prestazioni, o HIPEP. Composto principalmente dall´idrossilammonio nitrato come ossidante elettricamente conduttivo e da un alcool polivinilico come matrice legante, il rateo di regressione delle formulazioni HIPEP non può essere variato a pressione ambiente. Lo scopo di questa tesi sussiste nel dimostrare la possibilità di sviluppare un PSCE a base composita con un rateo di regressione variabile a pressione ambiente composto da un sale ossidante, da una matrice legante e altri additivi. La fase di sviluppo è fondata sul garantire la conduttività elettrica tramite composti a base di carbonio. Una volta stabilita una baseline di propellenti elettricamente conduttivi, l’attenzione è stata rivolta alla balistica interna, che ha rivelato una forte correlazione con la densità superficiale di deposizione della potenza elettrica. I test di combustione sono stati condotti a 1 bar in un ambiente di aria e azoto all’interno un banco di prova dove i ratei di regressione dei propellenti sono stati misuranti tramite un trasduttore lineare di posizione situato all’interno del banco di prova nel quale gli elettrodi sono stati posizionati verticalmente.