Low temperature gas generator propellants

Low temperature propellants for gas generators are commonly used in automotive safety devices. The application of this technology to a spacecraft/launcher attitude control system is the aim of this research. Constraints required for gas generator propellants are in terms of burning rate and low gas temperature. Many formulations with Sodium Azide and, afterwards, with Azodicarbonamide, are studied. Oxidizers like metal-alkaline nitrate, Ammonium Perchlorate or Nitrate and HTPB are also used. Sometimes the addition of some cooling agents to the compounds, resulted necessary to decrease adiabatic flame temperature. A systematic experimental characterization of the tested propellants is conducted in a windowed strand burner with servo-controlled combustion pressure and a digital video camera: burn rates are measured at three different pressures, if possible, by either an optical video technique or a standard fuse wires technique; temperature profiles are measured with Pt/Pt-Rh thermocouples (S-type).

Generatori di gas a bassa temperatura con propellente solido, sono comunemente utilizzati nei dispositivi di sicurezza automobilistica. L'applicazione di questa tecnologia per il controllo d'assetto di un veicolo spaziale o lanciatore è lo scopo di questa ricerca. Vincoli necessari per tale tipologia di propellenti, vengono forniti sulla velocità di combustione e sulla temperatura dei gas di combustione. Si è cominciato con una breve indagine sulla possibilità di utilizzare ingredienti comunemente utilizzati nella propulsione a solido spaziale. Tuttavia sia i risultati teorici sulla temperatura adiabatica di fiamma, che i risultati sperimentali, hanno mostrato i limiti di tali formulazioni. Molti propellenti testati di questa tipologia, non hanno mostrato una combustione autosostenuta, i residui solidi di combustione si sono mostrati elavati, e in alcuni casi, è rimasta una struttura compatta. Quindi si è considerato l'utilizzo dell'Azoturo di Sodio, e successivamente dell'Azodicarbonamide. Il primo noto come generatore di gas per air-bag, il secondo come ``blowing agent'' nella produzione di gomme e plastiche. Viene analizzato il loro comportamento come combustibili nei propellenti solidi a base di HTPB. Gli ossidanti considerati nelle varie formulazioni comprendono i nitrati, i perclorati di metalli alcalini, il Perclorato di Ammonio e il Nitrato d'Ammonio. Calcoli di termochimica sulla temperatura adiabatica di fiamma e sulla percentuale dei residui di combustione vengono svolti in modo da valutare l'efficacia o meno dei vari ingredienti utilizzati. Le formulazioni analizzate con l'Azoturo di Sodio, hanno mostrato di essere in grado di raggiungere temperature intorno ai 1000 K. A temperature più basse la combustione non sempre è risultata autosotenuta. Si è inoltre notata un'elevata quantità di residui solidi, spesso sopra al 50% dei prodotti di combustione. Infatti, l'Azoturo di Sodio, rimane per la maggior parte come residuo condensato alla fine della combustione sotto forma di composti del Sodio (tra i quali Cianuro di Sodio, Idrossido di Sodio o Carbonato di Sodio). Più instabile, ma tuttavia molto efficace, si è mostrato essere l'Azodicarbonamide. Molte formulazioni analizzate hanno infatti mostrato difficoltà di combustione autosostenuta, nonostante le alte percentuali di ossidante considerate (non inferiori al 50%). L'unico propellente analizzato con l'Azodicarbonamide, ha comunque mostrato promettenti risultati: elevata efficienza di gassificazione durante la combustione (nessun residuo solido), non elevate temperature adiabatiche di fiamma (intorno ai 1000 K), e discreta stabilità di combustione (almeno a 20 bar). Al fine di abbassare le temperature adiabatiche di fiamma, e di conseguenza anche dei gas, delle varie formulazioni, si è studiato l'utilizzo di agenti raffreddanti, quali Carbonato di Calcio, Ossido di Silicio e Fluoruro di Litio. Una caratterizzazione sperimentale sistematica dei propellenti, è stata condotta in una camera di combustione. Essa è dotata di accessi ottici e di elettro--valvole per il controllo della pressione. La velocità di combustione viene misurata a tre differenti pressioni, se possibile, sia utilizzando una tecnica di misurazione ottica con l'utilizzo di una videocamera digitale ad alta velocità e alta risoluzione, sia utilizzando un sistema di fili a rottura, con l'acquisizione, quindi, di un segnale elettrico tramite un'oscilloscopio digitale. I profili di temperatura vengono misurati con termocoppie Pt/Pt-Rh (termocoppie di tipo S).