Development of an ultrasonic mixing method for silica-gelled kerosene propellants

Silica gelled kerosene propellants combine solid-like storability with liquid-like controllability, aligning with needs for throttling, pulsing, and safer handling in launch systems. Yet achieving storage stability without compromising combustion remains challenging. This work introduces an ultrasonic-bath mixing route for kerosene–silica gel propellants, verifies compliance with launcher-representative stability constraints, and identifies the optimal mixing duration via steady, dynamic, and thixotropic rheology. Gelled Jet A-1 with fumed silica was processed in an ultrasonic bath while treating mixing time as the sole variable. After inversion screening, rheology was performed in steady shear, small-amplitude oscillation, and a three-interval thixotropy protocol to quantify breakdown and recovery. Environmental robustness was assessed using launcher-derived sine-equivalent vibration and thermal cycling, followed by post-exposure rheology. Results reveal a distinct process window with an optimum near 10 minutes of mixing: K, G' reached maximal values, indicating a denser microstructure; over-processing reduced these metrics. Gels prepared with this mixing method showed no macroscopic instability under launcher-simulated vibrations, whereas thermal cycling produced predictable, history-dependent viscosity shifts consistent with microstructural densification. These findings establish a practical processing route that delivers stability without increasing gellant content. It can provide a template for scale-up and for integrating quantitative stability metrics and combustor-level evaluation.

Propellenti a cherosene gelificato con silice combinano un’immagazzinabilità simile a quella dei solidi con una controllabilità tipica dei liquidi, in linea con le esigenze di regolazione della spinta, di funzionamento pulsato e di gestione più sicura nei sistemi di lancio. Tuttavia, ottenere stabilità durante lo stoccaggio senza compromettere la combustione rimane un compito impegnativo. Questo lavoro introduce un percorso di miscelazione in bagno ultrasonico per propellenti a cherosene-silice gelificati, verifica la conformità ai vincoli di stabilità rappresentativi del lanciatore e identifica la durata di miscelazione ottimale tramite reologia in regime stazionario, dinamico e tissotropico. Il Jet~A-1 gelificato con silice pirogenica è stato processato in un bagno a ultrasuoni, considerando il tempo di miscelazione come unica variabile. Dopo uno screening per inversione, la reologia è stata eseguita in taglio stazionario, in oscillazione a piccola ampiezza e con un protocollo tissotropico a tre intervalli per quantificare la degradazione e il recupero. La robustezza ambientale è stata valutata mediante vibrazioni sinusoidali equivalenti, derivate da profili di lanciatore e da cicli termici, seguite da reologia post-esposizione. I risultati rivelano una chiara finestra di processo con un ottimo intorno a 10 minuti di miscelazione: K, G' raggiungono valori massimi, indicativi di una microstruttura più densa; una miscelazione eccessiva riduce tali metriche. I gel preparati con questo metodo non hanno mostrato instabilità macroscopiche sotto vibrazioni generate da un lanciatore, mentre il ciclaggio termico ha prodotto variazioni di viscosità prevedibili e dipendenti dalla storia, coerenti con una densificazione microstrutturale. Questi risultati definiscono un percorso di processo pratico che garantisce stabilità senza aumentare il contenuto di gelificante e offre un modello per lo scale-up e per l’integrazione di metriche quantitative di stabilità e di valutazioni a livello di camera di combustione.