Caratterizzazione di polveri magnesio boro in propellenti solidi per la propulsione aerospaziale

Chemical propulsion systems are widely used in the aerospace primary propulsion application, which prompted to develop high thrust to overcome the Earth's gravitational field. Depending on the physical state of the propellant stored, these systems can be classified as liquids, hybrids, and solids. The latter are widely used in space propulsion, mainly because of their simplicity and reliability, although until today presents difficulties in the modulation of thrust and the re-ignition. Typically, a solid propellant is composed by crystalline salt (Ammonium Perchlorate), as oxidizer, a binder (HTPB), as fuel, and metal additives, in order to increase performance. Currently, the most widely used metal additive in solid propulsion systems is aluminium, but recent developments have made it possible to reconsider the use of Boron, due to its high Gravimetric and Volumetric heating value. This thesis involves the characterization of innovative metal powders consisting of Boron with a Magnesium “coating” (MgxBy) in order to identify the main characteristics of ignition and combustion, which would allow an improvement in ballistic performance of solid propellants. Propellants were made on the basis of the standard formulation of Ariane V, which show a percentage of ammonium perchlorate, metal powders and binder of 68%, 18% and 14% respectively. Steady burning rate estimation, together with combustion surface visualization and evaluation of the propellants density, are the parameters used to evaluate the best formulation in terms of maximum thrust provided. In addition, combined use of Micro Aluminum (Micro Al) and MgxBy, with a percentage of 15% and 3% by the mass respectively, lead to detecting the change on regression rate and the average size of agglomerates. The results obtained showed that the use of Boron increases the rate of regression and combined use with Micro Aluminium reduces the agglomeration’s phenomena. In particular, it is evident that the Boron powder with the lower magnesium “coating” (10%) lead to the highest regression rate and reduce the size of agglomerates in combined use with Micro Al.

I sistemi di propulsione chimica rappresentano la tipologia maggiormente impiegata nell’ambito della propulsione aerospaziale primaria, in cui viene richiesto lo sviluppo di elevate spinte per vincere il campo gravitazionale terrestre. A seconda dello stato fisico del propellente immagazzinato, tali sistemi possono essere classificati in liquidi, ibridi e solidi. Quest’ultimi sono largamente impiegati a causa della loro semplicità costruttiva e dell’affidabilità, sebbene presentino ancora delle difficoltà nella re-ignizione e nella modulazione della spinta. Tipicamente, un propellente solido è costituito da perclorato d’ammonio come ossidante cristallino, da un legante polimerico (HTPB) come combustibile e da additivi metallici che, grazie ad un maggiore calore specifico volumetrico ed alle reazioni di ossidazione, permettono di incrementare le prestazioni. Attualmente, l’additivo metallico più impiegato nella propulsione solida è l’Alluminio ma recenti sviluppi hanno permesso di riconsiderare l’impiego del Boro che, sebbene presenti dei problemi di ossidazione, grazie ad un’elevata densità ed ad un maggiore calore specifico volumetrico potrebbe essere un ottimo sostituto. Il presente lavoro di tesi prevede la caratterizzazione di innovative polveri composte da Boro con un “coating” di Magnesio (MgxBy), al fine di individuarne le principali caratteristiche d’ignizione e combustione, che permettano un miglioramento delle prestazioni balistiche nei propellenti solidi. Al fine di testarne l’efficacia, sono stati realizzati dei propellenti, sulla base della formulazione standard dell’Ariane V, che presentano una distribuzione percentuale di Perclorato di Ammonio, combustibile metallico e legante polimerico rispettivamente del 68%, 18% e 14%. La stima della velocità di regressione e la visualizzazione della superficie di combustione rappresentano, insieme alla valutazione della densità del propellente, i parametri utilizzati per valutare la migliore formulazione in termini di spinta fornita. Inoltre, è stato testato l’utilizzo combinato di Micro Alluminio (Micro Al) e MgxBy, in percentuali rispettivamente del 3% e del 15% del peso totale, con l’intento di rilevare la variazione della velocità di regressione e della dimensione media degli agglomerati. I risultati ottenuti hanno dimostrato come l’utilizzo del Boro incrementi le velocità di regressione e come l’utilizzo congiunto con Micro Alluminio riduca il problema dell’agglomerazione. In particolare, si evidenzia come le polveri di Boro con la copertura minore di Magnesio (10%) permettano di ottenere le velocità di regressione più elevate e di ridurre le dimensioni degli agglomerati rispetto alle polveri con più alte coperture di Magnesio (15%, 20%,25% e 60%).