مطالعۀ تجربی تأثیر توزیع اندازۀ ذرات اکسیدکنندۀ آمونیوم پرکلرات بر خواص فیزیکی، مکانیکی و احتراقی پیشرانۀ جامد مرکب بر پایۀ HTPB حاوی 19% وزنی آلومینیوم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد مهندسی شیمی، دانشگاه جامع امام حسین(ع)

2 دانشیار گروه مهندسی شیمی، دانشگاه جامع امام حسین(ع)

چکیده

پیشرانۀ‌ جامد مرکب بر پایۀ سه جزء اصلی پلی‌بوتادی‌ان خاتمه‌یافته با هیدروکسیل/آلومینیم/آمونیم پرکلرات (AP/Al/HTPB) حاوی 19% وزنی آلومینیوم به‌دلیل بار جامد بالا، خواص فیزیکی، مکانیکی و احتراقی ویژه‌ای دارد. افزایش محتوای بار جامد به منظور ارتقای خواص عملکردی پیشرانۀ جامد مانند ایمپالس ویژه و گرمای احتراق حجمی که از الزامات مأموریت‌‌‌های فضایی هستند، انجام می‌پذیرد. از سویی افزایش بار جامد (کاهش سامانۀ‌ بایندر) با محدودیت‌های در فرایند تولید پیشرانه مانند افزایش گران‌روی، کاهش پات‌لایف (عمرکاربری) و کاهش فرایندپذیری دوغاب پیشرانه همراه است و هم‌چنین موجب کاهش کیفیت خواص مکانیکی محصول پیشرانه می‌شود. در این مقاله تأثیر توزیع اندازۀ ذرات اکسیدکنندۀ AP به‌عنوان یکی از مؤلفه‌های کلیدی بر خواص فیزیکی، مکانیکی و احتراقی پیشرانۀ جامد مرکب به‌صورت تجربی مطالعه شد. نتایج نشان داد که با کاهش میانگین اندازۀ ذرات AP، مقدار چگالی تغییر چشم‌گیری ندارد، مقدار استحکام کششی و مدول افزایش و ازدیاد طول کاهش می‌یابد و هم‌چنین نرخ سوزش پیشرانه‌ها کمی افزایش پیدا می‌کند. چگالی پیشرانه‌‌ها به‌صورت میانگین 1792kg/m3 ، برای نمونه پیشرانه با نسبت 0.88 = NCO/OH و میانگین جرمی اندازۀ ذرات AP برابر با 251μm مقدار استحکام کششی بیشینه 0.523MPa ، ازدیاد طول بیشینه 35/1%، مدول 1.5MPa  و نرخ سوزش در فشار 65bar  برابر با 6.9mm/sec  به‌دست آمد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Experimental Study of the Effect of Ammonium Perchlorate Oxidizer Particle Size Distribution on Physical, Mechanical and Combustion Properties of HTPB-Based Composite Solid Propellant Containing 19 wt.% of Aluminum

نویسندگان [English]

  • S. R. Taghavi 1
  • M. A. Dehnavi 2
1 M. Sc. of Chemical Engineering, Imam Hossein Comprehensive University
2 Associate Professor of Chemical Engineering, Imam Hossein Comprehensive University
چکیده [English]

The composite solid propellant based on the three main components AP/Al/HTPB containing 19 wt.% of Aluminum has special physical, mechanical and combustion properties due to the high solid load. Increasing the solid load is done in order to improve the performance properties of solid propellant, such as specific impulse and volume combustion heat, which are requirements of space missions. On the other hand, increasing the solid load (reducing the binder system) leads to limitations in the production process, such as increasing the viscosity, reducing the pot life, and reducing the processability of the propellant slurry, and also reducing the quality of other propellant properties such as mechanical properties. In this study, the effect of ammonium perchlorate (AP) as one of the key parameters on the physical, mechanical and combustion properties of composite solid propellant has been studied experimentally. The results showed that by reducing
the average size of AP particles, the density does not change significantly, the tensile strength and modulus increase and the elongation decreases, and the burning rate of the propellants increases slightly. The average density of propellants is 1792 kg/m3, For the propellant sample with the NCO/OH ratio = 0.88 and the mass average AP particle size equal to 251 μm, the ultimate tensile strength is 0.523 MPa, the maximum elongation is 35.1%, the modulus is 1.5 Mpa, and the burning rate at 65 bar is equal to 6.9 mm/sec.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Mechanical Properties
  • Burning Rate
  • Composite Solid Propellant
  • Particle-Size Distribution
  • Ammonium Perchlorate (AP)
  • Aluminum Powder and HTPB

مراجع

[1]        Jarocki, C. M., Manship, T. D., & Son, S. F. (2022). Investigation of Mechanical Properties of AP/Al/HTPB-Based Propellants using 2-D Digital Image Correlation at Large and Small Scales. AIAA SCITECH 2022 Forum,
[2]        Lysien, K., Stolarczyk, A., & Jarosz, T. (2021). Solid Propellant Formulations: A Review of Recent Progress and Utilized Components. Materials, 14(21), 6657.
[3]        Sutton, G. P., & Biblarz, O. (2016). Rocket propulsion elements. John Wiley & Sons.
[4]        Aziz, A., Mamat, R., Ali, W., Khairuddin, W., Perang, M., & Rozi, M. (2015). Review on typical ingredients for ammonium perchlorate based solid propellant. Applied Mechanics and Materials,
[5]        Agrawal, J. P. (2010). High energy materials: propellants, explosives and pyrotechnics. John Wiley & Sons.
[6]        Gonser, B. W. (2012). Modern materials: advances in development and applications. Elsevier.
[7]        DeLuca, L. T. (2017). Highlights of solid rocket propulsion history. Chemical Rocket Propulsion: A Comprehensive Survey of Energetic Materials, 1015-1032.
[8]        Kumar, P. (2019). Advances in phase stabilization techniques of AN using KDN and other chemical compounds for preparing green oxidizers. Defence Technology, 15(6), 949-957.
[9]        Weiser, V., Franzin, A., DeLuca, L. T., Fischer, S., Gettwert, V., Kelzenberg, S., Knapp, S., Raab, A., Roth, E., & Eisenreich, N. (2017). Combustion behavior of aluminum particles in ADN/GAP composite propellants. In Chemical Rocket Propulsion, 253-270, Springer.
[10]      DeLuca, L. T. (2017). Highlights of solid rocket propulsion history. In Chemical Rocket Propulsion , 1015-1032, Springer.
[11]      Kubota, N. (1992). Temperature Sensitivity of Solid Propellants and Affecting Factors: Experimental Results. Progress in astronautics and aeronautics, 143.
[12]      Jawalkar, S., Ramesh, K., Radhakrishnan, K., & Bhattacharya, B. (2009). Studies on the effect of plasticiser and addition of toluene diisocyanate at different temperatures in composite propellant formulations. Journal of hazardous materials, 164(2-3), 549-554.
[13]      Rezaiguia, H., Liu, P., & Yang, T. (2017). Flame response of solid propellant AP/Al/HTPB to a longitudinal acoustic wave. International Journal of Spray and Combustion Dynamics, 9(4), 241-259.
[14]      Liu, Z., Li, S., Liu, M., Guan, D., Sui, X., & Wang, N. (2017). Experimental investigation of the combustion products in an aluminised solid propellant. Acta Astronautica, 133, 136-144.
[15]      Mehmood, Z., Khan, M. B., Abbas, T., & Ahmad, N. M. (2012). Influence of Solid Particle Size on Burning and Mechanical Properties of AP/Al/HTPB Composites. Key Engineering Materials, 510,
500-506.
[16]      Jayaraman, K., & Boopathy, G. (2017). Aluminum Agglomerate Size Measurements in Composite Propellant Combustion. In Innovative Design and Development Practices in Aerospace and Automotive Engineering, 437-445, Springer.
[17]      Kohga, M. (2006). Burning characteristics of AP/HTPB composite propellants prepared with fine porous or fine hollow ammonium perchlorate. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 31(1), 50-55.
[18]      Kohga, M., & Yoshida, S. (2006). Burning rate characteristics of AP-based composite propellant using bimodal AP. 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit,
[19]      Taghavi, S. R., Dehnavi, M., & Bahmanifar, F. (2018). The study of effective parameters on burning rate of ammonium perchlorate/aluminum/hydroxyl terminated polybutadiene (AP/AL/HTPB) based composite solid propellants. Iranian Chemical Engineering Journal, 17(96), 97-110.
[20]      Vesna, R., & Petric, M. (2005). The effect of curing agents on solid composite rocket propellant characteristics. Scientific-technical review, 46-50.
[21]      CMEZ, A. G., ERISKEN, C., YILMAZER, U., Pekel, F., & OZKAR, S. (1998). Mechanical and burning properties of highly loaded composite propellants. Journal of applied polymer science, 67, 1457-1464.
[22]      Patil, M., & Singh, H. (1988). Ballistic and mechanical properties of HTPB based composite propellants. Journal of hazardous materials, 19(3), 271-278.
[23]      Chu, H. (2012). Studying on Burning Rate of Propellant under Diverse Parameters. Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science.
[24]      Knott, G., Jackson, T., & Buckmaster, J. (2001). Random packing of heterogeneous propellants. AIAA journal, 39(4), 678-686.
[25]      Babu, K. S., Raju, P. K., Thomas, C., Hamed, A. S., & Ninan, K. (2017). Studies on composite solid propellant with tri-modal ammonium perchlorate containing an ultrafine fraction. Defence Technology, 13(4), 239-245.
[26]      Taghavi, S. R., Dehnavi, M., & Bahmanifar, F. (2018). The study of effective parameters on mechanical properties AP/Al/HTPB based composite solid propellant. Iranian Scientific Association of Energetic Materials, 13(2), 29-41.
مهندسی شیمی ایران
دوره 22، شماره 131 - شماره پیاپی 131
بهمن و اسفند 1402
صفحه 38-48

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار