Combustion Behaviour of Solid Propellants for Micro-Thruster Translated title: Verbrennungsverhalten von festen Treibstoffen bei Mikroantrieben.

Abstract

Solid propellants for micro-thruster are required to have high thermal sensitivity and a lower critical condition of ignition as well as excellent filling properties. The energy properties of ammonium perchlorate (AP)/ hydroxy-terminated polybutadiene (HTPB), AP/nitrocellulose (NC), lead styphnate (LS)/NC and LS/dibasic lead stearate (SQ-2) were obtained from thermodynamic calculations. Thermal decomposition characteristics of LS/NC and LS/SQ-2 mixtures were investigated for different species ratios. The formula ratio of LS to NC was tested for 1 : 1, 6 : 4, and 7 : 3, and the ratio of LS to SQ-2 was tested for 4 : 6, 1 : 1, 6 : 4, and 7 : 3, respectively. Ignition powers of LS/NC and LS/SQ-2 were measured, the formula ratio of LS to NC and LS to SQ-2 was 1 : 1, 6 : 4, 7 : 3, and 8 : 2, respectively. Micro-impulse tests were carried out for micro-thrusters with a charge of 0.08 mg and 0.1 mg, respectively, and compared with the thrust and impulse obtained by simulations. Results indicated that the thermal stability of LS is decreased by adding NC or SQ-2 to it, meanwhile, the energy produced is promoted. The addition of NC is more effective. The ignition power is 2.16 W when the proportion of LS to NC is 1 : 1. The average thrust peak from 0.08 mg propellant is measured as 0.1543 N, the average impulse is about 6.34 × 10 ⁻⁵ N × s. The thrust peak is 11.89 % higher than the calculated simulation value, while the total impulse is 17.99 % higher. The measured average thrust peak of 0.1 mg is 0.1789 N, which is 18.3 % higher than the calculated value, while the average impulse is about 7.48 × 10 ⁻⁵ N × s and 16.6 % higher than the calculated value.

Kurzfassung

Feste Treibstoffe für Mikroantriebe sollen eine hohe thermische Empfindlichkeit und niedrigere kritische Zündbedingungen sowie exzellente Fülleigenschaften aufweisen. Die energetischen Eigenschaften von Ammonitumperchlorat (AP)/Hydroxy-terminiertem Polybutadien (HTPB), AP/Nitrocellulose (NC), Bleistyphnat (LS)/NC und LS/dibasisches Bleistearat (SQ-2) wurden aus thermodynamischen Berechnungen erhalten. Die thermischen Zersetzungseigenschaften von LS/NC- und LS/SQ-2-Mischungen wurden für verschiedenen Stoffverhältnisse untersucht. Das Verhältnis von LS zu NC wurde für 1 : 1, 6 : 4 und 7 : 3 getestet und die Verhältnisse von LS zu SQ-2 von 4 : 6, 1 : 1, 6 : 4 und 7 : 3 geprüft. Die Zündleistungen von LS/NC und LS/SQ-2 wurden gemessen, wobei das Formelverhältnis von LS zu NC und LS zu SQ-2 1 : 1, 6 : 4, 7 : 3 und 8 : 2 betrug. Es wurden Mikroimpulstests für die Mikroantriebe bei einer Beladung von 0,08 bzw. 0,1 mg durchgeführt und mit der Schubkraft sowie dem Impuls aus Simulationen verglichen. Die Ergebnisse deuten an, dass die thermische Stabilität von LS durch die Zugabe von NC oder SQ-2 herabgesetzt wird, wobei die produzierte Energie sich steigert. Die Zugabe von Mikrocellulose (NC) zeigt dabei stärkere Wirkung. Die Zündleistung ist 2,16 W, wenn das Verhältnis von LS zu NC 1 : 1 beträgt. Die durchschnittliche Schubkraft bei 0,08 mg Treibstoff wurde mit 0,1543 N gemessen, der durchschnittliche Impuls betrug etwa 6,34 × 10 ⁻⁵ N × s. Die gemessene Antriebshöhe ist 11,89 % höher als der in den Simulationen berechnete Wert, während der totale Impuls 17,99 % höher ausfällt. Die gemessene Antriebshöhe beträgt bei 0,1 mg 0,1789 N, was 18,3 % höher als der berechnete Wert ist, während der durchschnittliche Impuls etwa 7,48 × 10 ⁻⁵ N × s beträgt und 16,6 % über dem berechneten Wert liegt.