Caratterizzazione di polveri di magnesio boro e la loro applicazione nei propellenti solidi

In the field of primary space propulsion, thermochemcal rockets are currently the only possible choice thanks to their “thrust to weight” ratio. Depending on the physical state of their stored propellant, chemical thrusters can be classified as solid, liquid, gaseous or hybrids: the former presenting, in particular, high reliability and ease of construction: facts that justify their great use despite some disadvantages like the difficulty of thrust modulation ad re-ignition. Typically solid propellant formulations in use today in the western world rely on the Ammonium Perchlorate, an inorganic salt acting as oxidant, and polymeric binder (HTPB) as fuel; in most of them, metallic additives can be used to increase performance. Among metallic additives, the most used in solid propulsion was, for many years, Aluminium, but great results have been achieved in recent studies encourage the use of Boron, alone or in the presence of Aluminum or also composite with Magnesium. In particular, MgB powders are discussed in detail in this thesis through experimental tests in which powders are heated and ignition temperatures are measured with thermocouple connected to an oscilloscope. The manufacturing of the propellant, achieved by using an Ariane 5 formulation based on Ammonium Perchlorate (68%), MgB powders (18%) and polymeric binder (14%), has allowed the author to conduct combustion tests: images of the combustion of propellant specimen at 2, 10, 30, 40 bar in Nitrogen were acquired through an high-speed camera and post-processed afterwards to estimate the regression rate. Furthermore the results have been compared with formulations found in previous essays to verify how the use of Boron increments the regression rate with a maximum rate of 20% for formulations of MgB powder combined with 10% of Magnesium.

Nel campo della propulsione spaziale primaria, gli endoreattori termochimici rappresentano attualmente l’unica scelta possibile grazie agli alti valori di spinta erogati rispetto ai pesi delle strutture. A seconda dello stato fisico del propellente immagazzinato, i propulsori chimici possono essere classificati in solidi, liquidi, gassosi o ibridi: in particolare, i primi presentano alta affidabilit´a e semplicit´a costruttiva, motivi che giustificano il loro largo impiego, nonostante alcuni svantaggi, quali la difficolt´a nella modulazione di spinta e nella reignizione. Tipicamente le formulazioni di propellenti solidi attualmente in uso in occidente, prevedono l’impiego di perclorato d’ammonio, un sale inorganico che svolge la funzione di ossidante ed un legante polimerico (HTPB) come combustibile; la maggior parte delle formulazioni prevede anche l’utilizzo di additivi metallici, con lo scopo di incrementarne le prestazioni. Tra gli Additivi metallici il pi´u utilizzato per la propulsione solida ´e stato negli anni l’Alluminio, ma gli ottimi risultati ottenuti dai recenti studi incentiverebbero l’impiego del Boro da solo oppure in presenza di Alluminio o ancora in formulazioni composite con Magnesio. In particolare questa ultima soluzione ´e stata studiata in questo lavoro di tesi, mediante prove sperimentali nelle quali le polveri vengono riscaldate e le cui temperature di ignizione si registrano per mezzo di una termocoppia collegata ad un oscilloscopio. La realizzazione del propellente, seguendo una formulazione di tipo Ariane 5 a base di perclorato d’ammonio (68%), polveri di MgB (18%) e legante polimerico (%14), ha permesso di condurre prove di combustione: tramite una videocamera ad alta velocit´a vengono acquisite le immagini della combustione dei provini di propellente a pressioni di 2, 10, 30 e 40 bar in Azoto, le quali dopo la fase di post-processing forniscono le stime sulla velocit´a di regressione. Inoltre, sono stati effettuati confronti con formulazioni ottenute in precedenti trattazioni, verificando come l’utilizzo del Boro incrementi le velocit´a di regressione con un aumento massimo del 20% per formulazioni con polveri di MgB con 10% di Magnesio.