Effects of active aluminium content on the ballistics of metallized solid fuel formulations

The work in hand was carried out at the Space Propulsion Laboratory (SPLab) of Politecnico di Milano. Objective of the thesis is the characterization of metallic fuel formulations for hybrid rocket engines. With respect to the existent literature, this works extends the investigation about different formulations and explores the potentialities of innovative powders subjected to mechano-chemical activation. The basic objective of the work is to mitigate some hybrid propulsion drawbacks such as the low regression rate and the high sensitivity to the oxidizer mass flux (G_Ox). Metal powders are compared on the basis of their actual size (observed by means of optical microscopy and a laser diffractometry) and their actual active metal content (evaluated monitoring the hydrogen evolution in water reaction). Micron-sized particles show the highest value of active metal content (~ 99%). Nano-sized powders showed a content near to 89% while coated powders content ranges from 67% to 80% in respect to the coating agent content. Metallized formulations are based on HTPB binder with 10% metal powder dispersed in it. Combustion tests have been performed using a 2D micro-radial burner. Combustion chamber pressure of 1.0 MPa and 1.9 MPa were investigated. Data reduction was performed using a non-intrusive technique developed at SPLab. Interesting ballistic results came from the combustion of: HTPB + 10% H0-ALEXTM (~ 24% for G_Ox = 350 kg/m2s, ~ 16% for G_Ox = 220 kg/m2s); HTPB + 10% AP15-ALEXTM that offers comparable results with respect to HTPB + 10% H0-ALEXTM (~ 16% for G_Ox = 220 kg/m2s) although it is characterized by a lower active aluminum content; HTPB + 10% µAl1-2/PTFE that gains some percent points with respect to HTPB + 10% µAl1-2 and enhance its reactivity for high oxidizer mass fluxes (~ 8% for G_Ox = 300 kg/m2s). Thermochemical analysis was conducted on selected formulations in order to evaluate the adiabatic flame temperature. This latter parameter results to be strictly linked to the active metal content. For a typical rocket condition (p_c = 7.0 MPa), the specific impulse have been evaluated: metallized formulations show similar trends no matter the active aluminum content decreases going from aluminum powders toward the oxidized complexes. The maximum specific impulse is obtained for O/F 20% lower with respect to the baseline. Finally, ballistic and thermochemical results were combined and used as an input for a numerical model based on a r_f model. The aim is to evaluate the surface heat release. Results appear influenced both by thermochemistry and ballistics.

Il presente lavoro, svolto presso i laboratori SPLab del Politecnico di Milano, ha come obiettivo la caratterizzazione di formulazioni metalliche per propulsori ibridi. Rispetto alla letteratura esistente, questo lavoro estende l’indagine sulle diverse formulazioni ed esplora le potenzialità di polveri metalliche innovative attivate con un procedimento meccano-chimico. L’obiettivo preposto è quello di mitigare alcuni svantaggi della propulsione ibrida quali la bassa velocità di regressione prodotta e una forte dipendenza dal flusso di ossidante. Un primo confronto è stato applicato alle polveri metalliche distinte per effettiva granulometria (osservata attraverso microscopia ottica e tecnica di misurazione laser) ed effettivo contenuto di metallo (valutato monitorando l’evoluzione di idrogeno liberato dalla reazione con acqua). Le polveri micrometriche conservano il più elevato contenuto di metallo attivo (~ 99%). Le polveri nanometriche mostrano un contenuto vicino all’89%; mentre le polveri ricoperte hanno un contenuto che varia tra il 67% e l’80% a seconda della quantità di agente di rivestimento presente. Per tutte le formulazioni indagate è stata dispersa in HTPB una medesima percentuale (10%) di polvere metallica. I test di combustione si sono svolti per mezzo di un micro-bruciatore radiale 2D, con condizioni di pressione in camera di combustione pari a 1.0 MPa e 1.9 MPa. I risultati di balistica sono ottenuti attraverso una riduzione dei dati basata su una tecnica non intrusiva sviluppata presso i laboratori di SPLab. I risultati di balistica più interessanti (espressi come velocità media percentuale rispetto al riferimento) provengono dalle formulazioni: HTPB + 10% H0-ALEXTM (~ 24% per G_Ox = 350 kg/m2s, ~ 16% per G_Ox = 220 kg/m2s); HTPB + 10% AP15-ALEXTM che, a fronte di un minore contenuto di alluminio, offre risultati paragonabili alla prima formulazione per basso flusso (~ 16% per G_Ox = 220 kg/m2s); HTPB + 10% µAl1-2/PTFE che incrementa di qualche punto percentuale le prestazioni di HTPB + 10% µAl1-2 e soprattutto ne migliora la reattività per alti flussi (~ 8% per G_Ox = 300 kg/m2s). Mediante analisi termochimica, per alcune formulazioni si è valutata la temperatura di fiamma che è risultata crescere in relazione al contenuto di metallo attivo. L’impulso specifico è stato valutato per una condizione tipica dei motori (p_c = 7.0MPa): le formulazioni metallizzate mostrano un andamento simile benché il contenuto attivo di metallo sia minore per i complessi attivati. Infine, i risultati provenienti dalla balistica e dall’analisi termodinamica sono stati trattati attraverso un modello numerico basato sul lavoro di Greatrix, al fine di valutare il calore netto rilasciato dalla superficie di combustione. I risultati mostrano un confronto tra le formulazioni che sembra tener conto sia dell’aspetto energetico sia delle prestazioni balistiche.