Burning and agglomeration of aluminised ADN/GAP solid propellants

Questo lavoro si prefigge l’obiettivo di caratterizzare il nuovo tipo di propellente proposto nell’ambito del progetto di ricerca noto come HISP-Project (High performance solid propellants for In-Space Propulsion). Questo propellente utilizza come ossidante la dinitroammina di ammonio (ADN), il polimero glycidyl azidico (GAP) come legante e diversi tipi di polveri di alluminio come combustibile. Il cambio di ossidante rispetto alle normali formulazioni contenenti perclorato di ammonio (AP), garantisce l’assenza di cloro nei prodotti di combustione, generando quindi un propellente “environmental friendly” che non rilascia le notevoli quantità di acido cloridrico rilasciato dai propellenti utilizzati usualmente. Le polveri di alluminio studiate sono dell’ordine del micrometro e del nanometro, e sarà trattata anche polvere di alluminio attivata attraverso il deposito di acido stearico sulla superfice. Il totale delle formulazioni contenenti ADN/GAP/Al studiate è sei, tutte contenenti il 60% di ossidante, il 24% di legante ed il 16% di combustibile; quattro formulazioni sono state studiate allo scopo di definire il comportamento di diversi tipi di combustibile, e sono state quindi prodotte formulazioni contenenti polvere di alluminio micrometrico con dimensione media di 5 µm, con dimensione media di 18 µm e due contenenti polveri di alluminio nanometriche, una non attivata e l’altra attivata. Le rimanenti due formulazioni contengono ossidanti di diversa granulometria, una fornita e lavorata dal FOI in Svezia, con granulometria media di 228 µm, e l’altra lavorata dall’ICT con distribuzione bimodale con rapporto 70:30 per dimensioni di 208 µm e 55 µm. Entrambe queste ultime formulazioni contengono alluminio micrometrico con dimensione media di 18 µm. Le formulazioni contenenti alluminio micrometrico hanno mostrato proprietà meccaniche sufficienti alla loro produzione. I test di combustione eseguiti per queste formulazioni hanno evidenziato un esponente balistico attorno a 0.58, a parte per quella contenente polvere di alluminio di 5 µm per la quale è stato calcolato 0.52. Supposta una pressione operativa di 7 MPa, tutte e quattro le formulazioni con alluminio micrometrico si attestano tra i 25 ed i 33 mm/s. Il massimo valore è stato raggiunto dala formulazione contenente ADN di 208 µm e alluminio di 18 µm (33 mm/s), mentre il valore minimo è stato riscontrato per la formulazione con ADN di maggiori dimensioni. Le misure di temperatura hanno evidenziato che tutte e quattro le formulazioni, a 7 MPa, sono comprese tra i 2550 e i 2650 K. Questa temperatura è compresa tra le temperature di fusione dell’allumina e di ebollizione dell’alluminio, particolare importante poiché la vicinanza della temperatura di ebollizione dell’alluminio spiega il ritrovamento di agglomerati sferici vuoti, formati di solo guscio di allumina, oppure contenenti un alto grado di porosità. Questi agglomerati sono stati raccolti e analizzati tramite l’uso di SEM solo per il propellente con distribuzione bimodale di ossidante. La dimensione degli agglomerati generati da questi quattro propellenti è stata determinata attraverso la video-analisi ed hanno rivelato la tendenza a formare agglomerazioni più grandi rispetto ai propellenti commercialmente disponibili. All’infuori dell’HISP-Project, sono state analizzate due formulazioni contenenti idruro di alluminio, noto come alane; combustibile interessante dato il suo basso peso specifico e la proprietà di abbassare notevolmente la massa media dei prodotti di combustione grazie all’alto contenuto di idrogeno, innalzando notevolmente l’impulso specifico. Le due formulazioni hanno di differente il contenuto di alane, una ne possiede il 28% mentre l’altra ha la composizione uguale ai propellenti alluminizzati con la semplice sostituzione del combustibile. La composizione con maggior quantità di alane ha dato origine ad agglomerazioni dell’ordine di due millimetri esibendo una combustione “esotica”, mentre l’altra formulazione ha formato agglomerazioni leggermente più grandi delle formulazioni alluminizzate. L’ipotizzato incremento d’impulso specifico ottenibile con la sostituzione del combustibile, più di 12 s. Questi studi sono preceduti da uno studio della formulazione pura, cioè formata solo da ADN/GAP, nella quale si è posta particolare attenzione all’influenza della granulometria dell’ossidante sul burning rate. È stato osservato un andamento opposto a quello usuale (a valori di pressione superiori ai 5 MPa), poiché la diminuzione del diametro della granulometria viene riflesso in una diminuzione del burning rate invece che in un aumento, come è solito dei propellenti in commercio. Infatti l’interpolazione con la legge di Vieille risulta in un esponente balistico compreso tra 0.49 e 0.50 per le formulazioni con granulometria di ADN di 40-50 µm, ed un esponente balistico di circa 0.63 per le formulazioni contenenti ADN di dimensioni maggiori. Parallelamente a questi studi è stata effettuata una analisi dei fattori termodinamici in correlazione con la dimensione degli agglomerati, ed in particolare sulla temperatura di fiamma, il bilancio di ossigeno e l’entalpia di formazione, utilizzando 7 propellenti prova formati da AP, GAP, e alluminio. Lo studio ha rivelato che la temperatura di fiamma gioca un ruolo molto importante nei processi di agglomerazione ed in particolare: maggiore è la temperatura, maggiore sarà il diametro degli agglomerati formati. Un ulteriore risultato ottenuto é che la sostituzione del legante da GAP a GA/BAMO dà luogo ad agglomerazioni di dimensioni minori, incrementando anche le proprietà meccaniche del propellente. Tutte le prove di combustione sono state effettuate in un range di pressione almeno tra 0.1 e 13 MPa. Viene poi proposto uno studio sul distacco delle particelle dalla superficie di combustione, attraverso la considerazione di diverse espressioni del coefficiente di resistenza aerodinamica. Le relazioni ottenute adottando il modello empirico di coefficiente di resistenza aerodinamica valido per il flusso bi-fase si sono rivelate in accordo con le osservazioni sperimentali, nonostante sembra che questo modello non sia valido nell’intorno dell’agglomerato.

The aims of this work is to characterize a new type of propellant proposed as part of a research project called HISP-Project (High performance solid propellants for In-Space Propulsion) sponsored by European Union with particular focus to agglomeration. This propellant uses as the oxidizer ammonium dinitramide (ADN), as binder the glycidyl azide polymer (GAP) and different types of aluminium powders. Commercial propellants contain ammonium perchlorate (AP), and the substitution with ADN ensures the absence of chlorine in the combustion products. For all formulations combustion tests were performed in a pressure range between 0.1 and 13 MPa. Six formulations containing ADN/GAP/Al with 60% oxidiser, 24% binder and 16% fuel were studied. Four formulations were studied in order to investigate the influence of different types of aluminium particles: aluminium powder of 5 µm and 18 µm, as well as pure nano-aluminium and an activated nano-aluminium. Two further formulations contain ADN of different prill sizes: one with an average particle size of 228 µm, and the other bimodal distribution of 208 µm and 55 µm (70:30). The latter called H32 is the selected propellant used in HISP-project and was investigated in more detail. Both formulations contain aluminium with average size of 18 µm. The combustion tests results in a ballistic exponent of about 0.58 for all the formulations containing 18 µm aluminium particles and 0.52 for 5 µm. At the operating pressure of 7 MPa, all four formulations show a burning rate between 25 and 33 mm/s. The maximum burning rate was observed for the formulation containing ADN of 208 µm and aluminium powder of 18 µm (33 mm/s) and the lowest was performed by the formulation containing the larger prills (25.3 mm/s). Emission spectra in UV to NIR range shows temperatures of 2550 to 2650 K over the selected operating pressure range. These temperatures are between the melting point of alumina and the boiling point of aluminium at standard conditions. The proximity of the boiling temperature of aluminium explains the finding of hollow agglomerate, formed only by a shell of alumina. The size of the agglomerates generated from these four propellants was determined using video analysis and indicate the tendency to form agglomerations larger than the commercially available AP/HTPB/Al propellants. Another study has been carried out for two further ADN/GAP formulations containing 16% and 28% aluminium hydride, known as Alane. The composition with the larger amount of alane features in an “exotic” combustion behaviour with formation of agglomerations in the order of two millimetres. The other Alane-based formulation formed agglomerates slightly larger than the aluminized formulations. The hypothesized enhancement of specific impulse replacing aluminium with alane is more than 12 s. But two-phase flow losses may also be large and jeopardize the advantage of this gain. These studies are preceded by the investigation of pure ADN/GAP formulations. Particular attention was paid to the influence of oxidizer particle sizes on the burning rate. As result the burning rate seems to be lower at high pressure for propellants containing smaller oxidiser size, despite at low pressure they present about the same burning rate. The Vieille’s law fitting results in a pressure exponent of 0.49-0.50 for the formulations containing smaller oxidizer grains, and a pressure exponent of about 0.63 for the bigger ones. This is opposite to commercial AP/HTPB propellant. Parallel to these studies an analysis of the thermodynamic parameters that influences the size of agglomerates was performed by investigating 7 trial propellants formed by AP, GAP and aluminium according to adiabatic temperature, oxygen balance and enthalpy of formation. A correlation between increasing flame temperature and growing of agglomeration size was found. A further investigation using GA/BAMO as binder instead of GAP indicated lower agglomeration sizes accompanied by better mechanical properties as well. Four models based on different drag coefficient estimation are investigated in order to better understand the physical behaviour of particle detachment from burning surface. The approximation with 2 phase flow model of drag coefficient results in a trend in accordance with the experimental observations despite it results to be out of its recommended utilization domain.