Ballistics of HTPB-based solid fuels loaded with coated nanoaluminum

The well-known drawbacks of hybrid propulsion have so far hampered the design and development of large scale hybrid rocket motors. One of the limiting factors is constituted by the low regression rate caused by the preminently diffusive nature of the hybrid combustion process. In order to increase the regression rate of solid fuels, several techniques have been studied over the years. One of them is based on the employment of energetic additives such as nano-sized aluminum powders, whose high enthalpy release is expected to occur closer to the regressing surface, hence yielding a regression rate enhancement. In this work two batches of variously coated nAl powders, produced by Explosion of Electric Wire process in the Russian Federation and with nominal size of 50 nm and 100 nm, were characterized by measurement of their main thermo-physical parameters. The coatings applied at lab-scale are fatty acids, telomeric alcohol, ester of telomeric alcohol with maleic anhydride, fluoropolymer-and-ester. In order to have a direct comparison with industrial powders, uncoated ALEX^TM and stearic acid-passivated L-ALEX_NPS were also considered. The powders were then tested as energetic additives in Hydroxyl Terminated Polybutadiene-based solid fuel formulations. Combustion tests were carried out in a 2D radial burner in SPLab, Politecnico di Milano, and regression rate data were measured by an optical time-resolved technique. Oxidizer was GOX and chamber pressure was 10 bar, while initial Gox was nearly 400 kg/(m2s). Ballistic behavior of HTPB-based solid fuels loaded with nAl was assessed through a relative grading with respect to a pure HTPB baseline. Under the investigated operating conditions, the regression rate enhancement with respect to HTPB was achieved by every loaded formulation. The research has proved that the chemical nature of coating and manufacturing details of the lab-scale coating process have direct consequence on the loaded fuel ballistics. Formulations loaded with fluoropolymer and ester-coated nAl exhibit low sensitivity of regression rate on Gox variation and a significant regression rate enhancement, up to the average value of 42% over the investigated Gox range. The addition of telomeric alcohol-coated nAl yields a maximum regression rate increase of 89% at 390 kg/(m2s). Formulations containing uncoated ALEX^TM and fatty acid-passivated nAl show a significant sensitivity on Gox variation.

I ben noti svantaggi della propulsione ibrida hanno finora impedito il progetto e lo sviluppo di motori a razzo ibridi di grande scala. Uno dei fattori limitanti è costituito dalla bassa velocità di regressione causato dalla natura prevalentemente diffusiva del processo di combustione ibrida. Al fine di incrementare la velocità di regressione, nel corso degli anni sono state sviluppate diverse tecniche. Una di esse è basata sull'impiego di additivi energetici come le polveri nanometriche di alluminio, il cui alto rilascio entalpico dovrebbe avvenire più vicino alla superficie di regressione, comportando quindi un aumento della velocità di regressione. In questo lavoro due lotti di polveri nanometriche di alluminio variamente rivestite, prodotte con processo EEW (esplosione di filo elettrico) e con dimensione nominale pari a 50 nm e 100 nm, sono stati caratterizzati misurandone i principali parametri termo-fisici. I coating applicati in scala di laboratorio sono acidi grassi, un alcole telomerico, l'estere dell’alcole telomerico con anidride maleica, fluoropolimero+estere. Al fine di avere un confronto diretto con polveri prodotte a livello industriale, sono stati analizzati anche ALEX^TM non rivestito e L-ALEX_NPS passivato con acido stearico. Le polveri sono state poi testate come additivi energetici in formulazioni di combustibile solido a base di polibutadiene a terminazione idrossilica (HTPB). Le prove di combustione sono state condotte in un bruciatore 2D radiale nel laboratorio SPLab, Politecnico di Milano, e i dati sulla velocità di regressione sono stati ottenuti tramite una tecnica ottica time-resolved. L’ossidante era puro ossigeno gassoso (GOX) e la pressione in camera di combustione pari a 10 bar, mentre il flusso specifico iniziale Gox quasi 400 kg/(m^2s). La balistica dei combustibili solidi a base HTPB caricati con nAl è stata valutata relativamente al riferimento costituito dal puro HTPB. Nelle condizioni operative investigate, l’aumento della velocità di regressione rispetto ad HTPB è stato raggiunto da tutte le formulazioni caricate. La ricerca ha dimostrato che la natura chimica del coating e i dettagli di manifattura del processo di coating in scala di laboratorio hanno una diretta conseguenza sulla balistica dei combustibili caricati. Le formulazioni contenenti nAl rivestito con fluoropolimero ed estere esibiscono una bassa sensitività della velocità di regressione alle variazioni di Gox e un significativo aumento della velocità di regressione, fino al 42% in media sull'intervallo di Gox considerato. L’addizione di nAl rivestito con alcole telomerico comporta un incremento massimo della velocità di regressione pari all’89% a 390 kg/(m^2s). Le formulazioni contenenti ALEX^TM non rivestito e nAl rivestito con acidi grassi mostrano una spiccata sensitività a variazioni di Gox.