Mechanically activated Al fuels for high performance solid rocket propellants

Solid rocket motors are widely used in space propulsion thanks to their advantages. Unfortunately they are characterized by a lower specific impulse with respect to other propulsive systems, like hybrid and liquid rocket engines. The increment of SRM performance is then of primary importance to make this kind of system capable to face the future challenges raising in the space propulsion field. Objective of this work is to design, produce and test a family of novel metal ingredients (mechanically activated aluminum with metal oxides) capable to increase the delivered specific impulse of SRM, by 2P loss reduction. The new powders feature an enhanced reactivity with respect to standard uAl (micrometric aluminum powder), a higher metal content with respect to nanoaluminum, and the possibility to tailor the burning rate of solid propellants with proper additive choice. Key parameters influencing mechanical activation treatments were initially analyzed. A rationale based on toxicity/generic hazards, cost and potential performance was carried out to support the choice of activation additives. Four activation procedures and three additives has been selected for powder production. The experimental campaign, entirely executed at the Space Propulsion Laboratory (SPLab), Department of Aerospace Science and Technology, Politecnico di Milano, focused on the characterization of activated aluminum powder properties. Each manufactured metal fuel was analyzed "as was" and as ingredient in AP/HTPB-based solid propellants. Reactivity, metal content and morphology of the novel ingredients as well as burning rate and condensed combustion product size of AP/HTPB-based solid propellants have been explored using a series of standard techniques. Experimental data were then cross-checked and compared to those obtained using standard uAl and nanometric aluminum powders. Effects of morphology on particle reactivity has been investigated also through the application of an original ignition model. The concept is based on an energy balance and studies the evolution of a single particle, subjected to a slow and regular heating. Both regular and irregular particles can be assumed. The analysis of the experimental results evidenced that mechanical activation represents a good technique to obtain extremely versatile ingredients. Reduced size of condensed combustion products and pre-burning high metal content can improve the delivered specific impulse. Burning rate of the resulting propellants could be tailored by controlling the activation parameters.

I motori a propellente solido sono ampiamente utilizzati in propulsione spaziale grazie ai loro numerosi vantaggi. Sfortunatamente, questo tipo di motori è anche caratterizzato da un impulso specifico più basso rispetto ai propulsori a propellente liquido e ibrido. Pertanto, l’incremento delle prestazioni di tali propulsori è di primaria importanza per rendere questi sistemi pronti ad affrontare le sfide future che l’esplorazione spaziale porrà al genere umano. Obiettivo di questo lavoro è la progettazione, la produzione e l’analisi di una famiglia di combustibili metallici innovativi (alluminio attivato meccanicamente additivato con ossidi metallici) in grado di incrementare l’impulso specifico sviluppato dai motori a propellente solido grazie alla riduzione delle perdite per efflusso bifase (2P). Le nuove polveri hanno mostrato una reattività migliorata rispetto al micro-alluminio standard, un contenuto metallico maggiore dell’alluminio nanometrico e offrono la possibilità di regolare la velocità di combustione dei propellenti solidi previa opportuna scelta dell’additivo. Inizialmente, si sono analizzati i parametri chiave che influenzano l’attivazione meccanica. Successivamente, si è eseguita un’ulteriore analisi per poter scegliere gli additivi migliori. L’analisi ha tenuto conto del costo, delle prestazioni potenziali, ma anche della tossicità e dei rischi generici connessi alle varie sostanze prese in considerazione. Quattro procedure di attivazione e tre additivi sono stati selezionati per la produzione delle nuove polveri. La campagna sperimentale, svolta interamente presso il Laboratorio di Propulsione Aerospaziale afferente al Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano, è stata focalizzata sulla caratterizzazione delle proprietà degli allumini attivati. Ciascun combustibile metallico è stato sottoposto a una caratterizzazione di base e successivamente testato all’interno di propellenti solidi a base di AP e HTPB. Una serie di tecniche standard è stata utilizzata per studiare la reattività, il contenuto metallico e la morfologia delle nuove polveri. I test sui propellenti, invece, hanno consentito di ottenere informazioni in merito alla velocità di combustione e alla dimensione dei prodotti condensati di combustione. I risultati sono stati poi confrontati con quelli ottenuti utilizzando alluminio micrometrico standard e nano-alluminio. Gli effetti della morfologia sulla reattività delle particelle sono stati investigati anche attraverso l’utilizzo di un modello di accensione appositamente implementato. Il modello si basa su di un bilancio energetico e studia l’evoluzione di una particella di alluminio sferica o irregolare sottoposta a un riscaldamento lento e uniforme. L’analisi dei risultati sperimentali ha evidenziato che l’attivazione meccanica rappresenta una buona tecnica per produrre ingredienti estremamente versatili. La dimensione contenuta dei prodotti condensati di combustione unitamente all’alto contenuto metallico di questi nuovi ingredienti può portare a un miglioramento dell’impulso specifico nei motori a propellente solido. Inoltre, attraverso il controllo dei parametri di attivazione e la corretta scelta dell’additivo potrebbe essere possibile regolare la velocità di combustione dei propellenti solidi.