New experimental method based on induction heating for the characterization of thermite ignition and gas generation

Design for Demise (D4D) is the intentional design of a spacecraft’s structure and equipment to facilitate their complete destruction during atmospheric re-entry, minimizing in this way the casualty risk associated to these events. In this context, the use of exothermic thermite charges triggered by aerodynamic heating is a novel approach under investigation. Experimental studies highlighted the potential excessive pressure build-up due to the gas generated by the thermite reaction in near-vacuum conditions, which raises the risk of uncontrolled fragmentation and further debris generation. This work presents the design of an experimental apparatus that allows the measurement of the pressure generated by a thermite reaction inside an enclosed vessel. Complete and repeatable thermite ignition is achieved through an induction heating circuit, reproducing the heating rate typical of atmospheric re-entries. The exploitation of induction heating for thermite ignition is novel. Different micrometric thermite formulations have been prepared and activated using high-energy ball milling. The thermites have been tested inatmospheric and sub-atmospheric conditions, in order to characterize the influence of the environmental pressure on the gas generation and pressure build-up. Experimental results suggest that the ignition in near-vacuum conditions facilitates the release of O2 by the thermite, which is in agreement with the literature; however, it does not cause an increase of the overall peak pressure. On the contrary, a decrease in pressure peak amplitude was registered for low initial chamber pressures. The exact mechanisms behind this behavior are still to be investigated. The ignition temperature of each thermite has been measured in the induction heating setup and compared to reference values. The results show that the most gas generating formulations, which show a faster, more violent reaction, ignite at a predictable temperature. The other, milder thermites exhibit a significantly lower ignition temperature than expected. It is unclear whether this happens as a consequence of the heating rate or due to the induction heating ignition mechanism. A first order kinetic model of Al/Cu2O, one of the examined thermites, has been characterised through TG/DTA and isoconversional methods. The study of the kinetics of Al/Cu2O is unprecedented; nevertheless, the analysis yielded parameters which are in accordance with the literature on the popular Al/CuO formulation.

Design for Demise (D4D) consiste nel progetto intenzionale della struttura e dell’equipaggiamento di veicoli spaziali per facilitare la loro completa distruzione durante il rientro atmosferico, minimizzando in questo modo il rischio di incidenti dovuto a tali eventi. In questo contesto, l’impiego di cariche esotermiche termitiche innescate dal riscaldamento aerodinamico è un approccio innovativo attualmente sotto esame. Studi sperimentali hanno evidenziato la possibilità di un eccessivo sviluppo di pressione dovuto al gas generato dalla reazione termitica in condizioni di simil vuoto, che potrebbe incrementare il rischio di frammentazione incontrollata e la creazione di ulteriori detriti. Questo lavoro presenta il progetto di un apparato sperimentale che consenta la misura della pressione generata da una reazione termitica all’interno di un contenitore chiuso. La completa e ripetibile ignizione della termite è assicurata da un circuito di riscaldamento a induzione, capace di riprodurre il rateo di riscaldamento tipico di un rientro atmosferico. L’utilizzo del riscaldamento a induzione per l’ignizione della termite è innovativo. Diverse formulazioni di termiti micrometriche sono state realizzate e processate tramite attivazione meccanica ad alta energia. Tali termiti sono state testate in condizioni atmosferiche e sub-atmosferiche, al fine di caratterizzare l’influenza della pressione ambientale sulla generazione di gas e il conseguente sviluppo di pressione. I risultati sperimentali suggeriscono che l’ignizione in condizioni di simil vuoto favorisca un maggior rilascio di O2 da parte della termite, trovando riscontro con quanto riportato in letteratura; tuttavia, non si evidenzia un aumento del picco di pressione complessivo. Al contrario, una diminuzione dell’ampiezza del picco di pressione è stata registrata per basse pressioni iniziali nella camera di combustione. Gli specifici meccanismi responsabili di questo comportamento rimangono da indagare. La temperatura di ignizione di ogni termite, misurata all’interno del setup ad induzione, è stata misurata e confrontata con valori di riferimento. I risultati mostrano che le termiti che generano più gas, le quali mostrano una reazione più rapida e violenta, si accendono a temperature prevedibili. Le altre termiti, dalla reazione più mite, mostrano temperature di ignizione significativamente più basse di quelle attese. Non è chiaro se questo avvenga come conseguenza del rateo di riscaldamento o del sistema di accensione tramite riscaldamento a induzione. Un modello di cinetica del primo ordine della termite Al/Cu2O, una delle termiti esaminate, è stato caratterizzato tramite TG/DTA e metodi isoconversionali. Lo studio della cinetica della termite Al/Cu2O non ha precedenti in letteratura; ad ogni modo, i parametri calcolati sono comparabili con quelli della più comunemente studiata Al/CuO.