Combustion and ignition of coated nano-aluminum powders for solid propulsion

The aim of this thesis is to study a particular branch of solid propellants (SP) for space applications. The composite SP studied herein are a mechanical mixture of heterogeneous ingredients. The basic formulation includes a crystalline inorganic salt (Ammonium Perclorate) that acts as an oxidizer, and an inert polymeric binder (Polybutadiene) that also serves as fuel, cured with IPDI. For primary space propulsion applications, the basic formulation also includes metals, that act as highly energizing fuels. In this regard, in recent years, great interest arose around a new class of highly energetic materials, i.e. nanosized powders of Aluminum. The advantage of using nano-metals powders compared to metal powders of larger size, is linked to the high specific area of the nanoscale particles that determines, de facto, an increase of the reactivity and consequently of the burning rate and combustion efficiency thus reducing the formation of agglomerates that affects the loss of two-phase flow. However, these materials have the drawback of presenting a high surface-volume ratio that involves the formation of clusters, thereby making difficult a good dispersion by means of conventional manufacturing techniques of the propellant. A technique for improving homogeneity in dispersion consists in coating the nano-Aluminum powders with some materials, such as HTPB and Acetylacetone. In this work three different types of coated powders have been investigated and, in order to evaluate the effectiveness of the techniques used to improve dispersion, combustion tests have been performed. Combustions of SP have been carried out in a strand burner, using nitrogen as pressurizing gas, a pressure range between 1 and 40 bar and a nano-Aluminum ratio ranging from 9 to 18% of the compound. The performed tests have led to some important results in terms of ballistic performances; the powders coated with HTPB and Acetylacetone have led to an improvement of the burning rate rb between 14% at low pressure and 32% at high pressure with respect to the baseline of nano-Aluminum uncoated and to an increase between 5% at low pressure and 8% at high pressure with respect to a similar formulation with nano-Aluminum coated with HTPB only. Conversely, the coating with the only Acetylacetone did not give good results. In addition to these ballistic considerations, only for the propellant loaded with nano-Aluminum coated with HTPB and Acetylacetone, the effect of such coating on the aging of the propellant itself was investigated, by measuring the variation in 10 months of its active Aluminum content Al0. The analyses led to the conclusion that such coating slows down the aging process with respect to similar formulations, ensuring a longer preservation of the ballistic properties of the propellant. These considerations are supported by the theoretical analysis aimed at assessing the Specific Impulse (Isp) losses based on the aging of the propellant. A further investigation element has involved the mixing techniques of the propellant compound during the manufacture. Two techniques have been compared: an acoustic mixing technique using ResodynTM and a traditional mechanical mixing technique using Brabender Plasti-Corder®. The best mixing technique for this type of compounds based on high percentages of nano-Aluminum and therefore very viscous was found to be the mechanical one. Studies to evaluate the ignition temperature of the three powders of nano-Aluminum investigated were also conducted varying the heating rate of the powder itself. In all the three cases it was found, in the range of power levels analyzed, a trend of the ignition temperature as a function of the heating rate describable by a linear regression straight line. The linear trend of the ignition temperature, together with the lower ignition temperatures of nano-Aluminum with respect to Aluminum with larger size, find a theoretical explanation combining the model of Aluminum powders oxidation to the model of Aluminum ignition, according to which ignition occurs when the self-heating rate of the Aluminum particles, related to the oxidation of Aluminum itself, exceeds the external heating rate. The AlexTM powder coated with 1% HTPB and 0.2% Acetylacetone has proven to have a reactivity lower than the other two, presenting higher ignition temperatures on almost the whole range of heating rate analyzed. This result is in contrast with those arising from the ballistic analyses, which have shown that the propellant loaded with this type of coated powder give the best results in terms of burning rate. This demonstrates that the excellent dispersion of the powders in the compound of propellant, permitted by this particular type of coating, is decisive for obtaining better ballistic performances, even more of the reactivity of the powder itself.

Questo lavoro di tesi si propone di studiare un particolare tipo di propellenti solidi (SP) per applicazioni spaziali. I SP compositi qui studiati sono una miscela meccanica di ingredienti eterogenei. La formulazione di base comprende un sale cristallino inorganico (Perclorato di Ammonio) che agisce come ossidante, e un legante polimerico inerte (Polibutadiene) che svolge anche la funzione di combustibile, curato con IPDI. Per le applicazioni di propulsione spaziale primaria, la formulazione di base comprende anche metalli, che agiscono come combustibili altamente energizzanti. A tale proposito, negli ultimi anni, grande interesse è stato riposto nello studio di una nuova classe di materiali altamente energetici, ossia polveri di Alluminio di dimensioni nanometriche. Il vantaggio di utilizzare polveri di nano-metalli rispetto a polveri di metalli di dimensioni maggiori, è legato all’elevata superficie specifica delle particelle nanometriche che determina, de facto, un aumento della reattività e di conseguenza della velocità di regressione e dell’efficienza di combustione riducendo quindi la formazione di agglomerati da cui dipendono le perdite di flusso bifase. Tuttavia, questi materiali hanno lo svantaggio di presentare un elevato rapporto superficie-volume che comporta la formazione di cluster, rendendo quindi difficile una buona dispersione per mezzo delle convenzionali tecniche di manifattura del propellente. Una tecnica per migliorare l'omogeneità nella dispersione consiste nel ricoprire le polveri di nano-Alluminio con alcuni materiali, fra cui HTPB e Acetilacetone. Nel presente lavoro sono stati testati tre differenti tipi di polveri ricoperte e sono state eseguite prove di combustione per valutare l'efficacia delle tecniche utilizzate per migliorare la dispersione. Le combustioni dei SP sono state effettuate in una camera di prova, utilizzando azoto come gas di pressurizzazione, un intervallo di pressioni tra 1 e 40 bar e un rapporto di nano-Alluminio variabile fra 9 e 18% del composto. I test condotti hanno portato ad alcuni importanti risultati in termini di prestazioni balistiche; le polveri ricoperte con HTPB e Acetilacetone hanno portato a un miglioramento della velocità di regressione rb compreso fra 14% a bassa pressione e 32% ad alta pressione rispetto alla baseline di nano-Alluminio non ricoperto e a un aumento compreso fra 5% a bassa pressione e 8% ad alta pressione rispetto a una formulazione simile con nano-Alluminio ricoperto solo con HTPB. Per contro, la copertura unicamente con Acetilacetone non ha dato buoni risultati. Oltre alle considerazioni di tipo balistico, solo per il propellente prodotto con polvere di nano-Alluminio ricoperta con HTPB e Acetilacetone, è stato indagato anche l'effetto di tale copertura sull'invecchiamento del propellente stesso, misurando la variazione del contenuto di Alluminio attivo Al0 nell'arco di 10 mesi. Le analisi hanno portato a concludere che tale copertura rallenta il processo di invecchiamento rispetto a formulazioni simili garantendo una più lunga conservazione delle proprietà balistiche del propellente. Queste considerazioni trovano conferma in un’analisi teorica volta a valutare le perdite di Impulso Specifico (Isp) sulla base dell’invecchiamento del propellente. Un ulteriore elemento di indagine ha interessato le tecniche di miscelazione del composto di propellente durante la fase di manifattura. Due tecniche sono state messe a confronto: una tecnica di miscelazione acustica mediante ResodynTM e una tecnica tradizionale di miscelazione meccanica mediante Brabender Plasti-Corder®. La tecnica di miscelazione migliore per questo tipo di composti a base di alte percentuali di nano-Alluminio e quindi molto viscosi è risultata essere quella meccanica. Sono stati inoltre condotti studi atti a valutare la temperatura di ignizione delle tre polveri di nano-Alluminio indagate al variare del rateo di riscaldamento della polvere stessa. In tutti e tre i casi è stato riscontrato, nel range di potenze analizzato, un andamento della temperatura di ignizione in funzione del rateo di riscaldamento descrivibile mediante una retta di regressione lineare. L’andamento lineare della temperatura di ignizione, unitamente alle inferiori temperature di accensione del nano-Alluminio rispetto all’Alluminio di dimensioni maggiori, trova una spiegazione teorica combinando il modello di ossidazione delle polveri di Alluminio con il modello di accensione secondo cui l’ignizione avviene quando il tasso di auto-riscaldamento delle particelle di Alluminio, legato all’ossidazione dell’Alluminio stesso, supera il tasso di riscaldamento esterno. La polvere di AlexTM ricoperta con 1% HTPB e 0.2% Acetylacetone ha dimostrato avere una reattività inferiore rispetto alle altre due, presentando temperature di ignizione più alte su quasi tutto il range di ratei di riscaldamento analizzato. Questo risultato è in controtendenza con quelli derivanti dall'analisi balistica, i quali hanno evidenziato che il propellente caricato con questo tipo di polvere ricoperta ha dato i migliori risultati in termini di velocità di regressione. Ciò dimostra quanto l'ottima dispersione delle polveri nel composto di propellente, permessa dal particolare tipo di coating, sia determinante ai fini di migliori prestazioni balistiche, ancor più della reattività della polvere stessa.