[AR] Re: Vacuum processing of solid propellant

  • From: "Anthony Cesaroni" <anthony@xxxxxxxxxxx>
  • To: <arocket@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Fri, 12 Jul 2019 15:24:40 -0400

Bill,

 

May I ask you what the budget is for this booster?

 

 

Anthony J. Cesaroni

President/CEO

Cesaroni Technology/Cesaroni Aerospace

 <http://www.cesaronitech.com/http://www.cesaronitech.com/

(941) 360-3100 x101 Sarasota

(905) 887-2370 x222 Toronto

 

 

From: arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx <arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx> On Behalf
Of William Claybaugh
Sent: Friday, July 12, 2019 3:10 PM
To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [AR] Re: Vacuum processing of solid propellant

 

A careful review of the history of design changes on my two-stage shows that
the increase in performance from circa 150 km to around 200 km was caused
both by the measured increase in density of the vacuum post processed
propellant but also by the near simultaneous discovery of a modified BATES
grain design that pushed volumetric loading to a little above 86% from a
previous about 80%.

 

After reviewing that history and some additional work I've identified a
monolithic grain design that gives 83.5% loading in the upper stage and 85%
in the lower without erosive burning concerns. That is now the baseline and,
using the slightly denser propellant, sims to about 200 km, including 7 lbsm
of ballast.

 

Bill

 

On Thu, Jul 11, 2019 at 10:10 PM William Claybaugh <wclaybaugh2@xxxxxxxxx
<mailto:wclaybaugh2@xxxxxxxxx> > wrote:

David:

 

To be clear, I'm open to there being something wrong somewhere in the
simulations; I'm not claiming this two-stage will do more than 150 klicks
when asked by non-professionals.

 

If there is something wrong in the sim, I've yet to find it...but the
results are hotter than I expected during initial design.  But then I've
managed over the last two years to stuff about 12% more propellant into it
than I initially thought possible.

 

Bill

 

On Thu, Jul 11, 2019 at 10:00 PM David Summers <dvidsum@xxxxxxxxx
<mailto:dvidsum@xxxxxxxxx> > wrote:

Btw, thanks for all this.  It sounds like most of the performance gain is
design specific, as in given a fixed design this change makes a large
improvement.  Still fascinating!

 

-David

 

On Thu, Jul 11, 2019, 5:54 PM William Claybaugh <wclaybaugh2@xxxxxxxxx
<mailto:wclaybaugh2@xxxxxxxxx> > wrote:

Troy:

 

It's late on this side of the lake; I'll shoot you the most current files
tomorrow my time.

 

Bill

 

On Thu, Jul 11, 2019 at 9:48 PM Troy Prideaux <troy@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
<mailto:troy@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx> > wrote:

Bill,

 

Troy:

 

The two test to date were, as before, near 400 psia and near 750 psia; the
500 psia Isp is an estimate coming out of Burnsim based on the measured Isp
at the two pressures.

 

The "estimate" part is fine, so long as you appreciate that to claim that
the same propellant in a denser form produces a different specific impulse
than the lower density equivalent can only be truly verified by conducting 2
instrumented static tests measuring both delivered total impulse and
pressure curves that closely match for a true apples to apples comparison.
That implies that the Kn ratio profile likely needs to be adjusted between
the 2 tests to accommodate the reduced mass discharge rate for the reduced
density propellant, but also (conversely) for the difference in burn rate
(normally increased for lower density resulting in an increase in discharge
& flow rates). Suboptimal densities often influence the burn rate exponent
too which can further complicate the comparison or at least achieving useful
comparable pressure curves.

 

Where I'm coming from (in terms of specific impulse) is the ultimate
comparison is to say I can achieve x isp with this density and I can achieve
y isp with that density both in their optimum configuration ie. expansion
ratios matched as best as possible to the conditions and structural margins
likewise.

 

In a dynamic sense, it does make sense that the higher density / slower
burning propellant will ultimately achieve a higher specific impulse due it
working for a longer time at a higher altitude, but I'm not sure if this was
factored into the simulations?

 

The 7 second trajectory average increase for the second stage (compared to
the previous "air processed" propellant) is coming out of the trajectory sim
and the estimated 2.5 second gain (at 500 psia) that I assume reflects the
higher aluminum content; I don't see how density can have an effect on Isp.

 

Well, yeah, that makes more sense. 

 

 

I'm happy to share the motor files and RASAero  file if you'd like to look
them over.

 

I'm happy to look over them, up to you Bill.

 

Cheers,


Troy

 

Bill

 

On Thu, Jul 11, 2019 at 7:39 PM Troy Prideaux <
<mailto:troy@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx> troy@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx> wrote:

So, just to be clear, the comparison measurements were all done and measured
at *very* similar pressures (*measured pressures*) not implied similar
pressures based on identical Kn profiles? 

 

Also (just to be clear), your implied increase in specific impulse of the
upper stage (7 sec) is entirely based on porosity reduction or is that also
incorporating the additional metal influence.

 

Regards,

 

Troy

 

From: arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx <mailto:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx>
[mailto:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx ;<mailto:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx> ]
On Behalf Of William Claybaugh
Sent: Friday, 12 July 2019 11:22 AM
To: arocket@xxxxxxxxxxxxx <mailto:arocket@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [AR] Re: Vacuum processing of solid propellant

 

Troy:

 

The slightly increased Isp is measured in static tests at 2.5 seconds.  The
additional flight performance is increasing altitude in the sim.

 

The baseline 231 seconds (at 500 psia) is measured in over 100 static tests
of the "air processed" propellant.  I have to date only two tests of the
slightly denser version but those tests imply 233.5 at 500 psia. (Note that
the vacuum propellant is 10% Al rather than the baseline 7.2%).

 

I'll be doing more test w/ more vacuum degassing time once the desert cools
some (read: November); those tests will be at around 400, 700, and 1000 psia
and should provide a better reality check.  For now, that is the data I have
to plow into the sims.

 

I should add that changes in grain design-the effect of a longer first stage
burn having been noted-are also in play here.  My very most recent modeling
has extended the booster burn to 11 seconds while adding 3% more propellant
(smaller core); that pushes altitude from 210km to near 230km.  I should
also note that 90+ % of the dry mass is weighed; only the payload and
ballast are not currently measured.

 

Bill 

 

 

 

On Thu, Jul 11, 2019 at 6:59 PM Troy Prideaux <
<mailto:troy@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx> troy@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx> wrote:

Bill, fair enough. It sounds like a pretty tenuous chain of assumptions, but
it does shed light on the difference. I'm curious on how you arrived at the
assumption that the denser propellant would deliver a noticeable increase in
specific impulse? I can understand how that can occur in small motors where
you might expect noticeable deviations in pressure from varying surface area
exposure, but for a large motor?

 

Troy

 

From: arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx <mailto:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx>
[mailto:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx ;<mailto:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx> ]
On Behalf Of William Claybaugh
Sent: Friday, 12 July 2019 10:14 AM
To: arocket@xxxxxxxxxxxxx <mailto:arocket@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [AR] Re: Vacuum processing of solid propellant

 

Troy, David:

 

Let me be the first to agree that sims are just sims and reality awaits.

 

I too was surprised by the seemingly large change and have spent some time
trying to understand it:

 

First this is a two stage rocket and the effect of higher propellant
fraction is accordingly magnified in a way we don't see in a single stage.  

 

Second, the propellant is not just denser, it is also slightly higher
performance, a trajectory average of about four seconds for the first stage
and around seven seconds for the upper stage (which lights at around 40k
feet and burns out above 75k feet); this appears to be a significant second
order effect.

 

Lastly, the propellant is slightly slower burning (because of fewer voids).
When optimized w/ my 2-DOF sim the longer burn in the first stage (10
seconds instead of eight) produces a much lower MaxQ which-in the
sim-produces a notably higher burnout velocity and altitude.

 

When the coast between burns is adjusted (was 21 seconds, now 12) because of
the higher and faster booster burnout the upper stage gains almost a Mach
number in burnout velocity (was Mach 5.2, now 6.1).

 

Then it gets tricky:  the upper stage violates the two-caliber rule above
Mach 5.25.  It looks like seven pounds of ballast behind the nose tip take
care of that but it does not look like the aluminum fins survive the ride.
I'm currently looking at titanium leading edges for the upper stage fins.

 

I don't know if the sims are reliable (but the program has a long history of
accuracy); I'll probably be flying one of the upper stages early next year
and then we'll get a better idea of what to expect.

 

Let me also address a favorite topic, the cost benefit:  this has cost about
$350 in out of pocket infrastructure investment (a vacuum tight lid for the
mixing bowl w/ view port). Everything else-including the vacuum pump,
gauges, and lines-was already in hand.

 

Bill 

 

 

 

On Thu, Jul 11, 2019 at 5:35 PM David Summers < <mailto:dvidsum@xxxxxxxxx>
dvidsum@xxxxxxxxx> wrote:

That is fascinating! Is your propellant mass fraction unusually high? I
can't think of another reason for that result, and I'd like to understand it
better.

 

Thanks!

 

-David Summers

 

 

On Thu, Jul 11, 2019 at 1:15 PM William Claybaugh <
<mailto:wclaybaugh2@xxxxxxxxx> wclaybaugh2@xxxxxxxxx> wrote:

David:

 

In flight simulations of my two-stage, stuffing 3% more propellant into the
same volume raises the peak altitude from a tad over 150km to 210km in the
most recent runs.

 

Bill

 

On Thu, Jul 11, 2019 at 4:47 PM David Summers < <mailto:dvidsum@xxxxxxxxx>
dvidsum@xxxxxxxxx> wrote:

Hoping to take this on a learning tangent:

 

Why take all the effort to get a few percent higher density? I'd imagine
that it translates to less than 3% higher performance, so wouldn't a simpler
process with a few percent larger chamber be more optimal?

 

What am I missing? Or is it just a why not go for perfect kind of thing?

 

Thanks!

 

-David Summers

 

 

On Thu, Jul 11, 2019 at 12:41 PM Troy Prideaux <
<mailto:troy@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx> troy@xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx> wrote:

If I vaguely recall (I could be mistaken) it was Mark Spiegl (?) who 1st
mentioned this process here about maybe 15 odd years ago. If I recall he was
utilising this process as an amateur and achieving some pretty good results.

 

Troy

 

From: arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx <mailto:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx>
[mailto:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx ;<mailto:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx> ]
On Behalf Of Anthony Cesaroni
Sent: Friday, 12 July 2019 6:31 AM
To: arocket@xxxxxxxxxxxxx <mailto:arocket@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [AR] Re: Vacuum processing of solid propellant

 

Not with traditional solid constituents and configurations and I'll leave it
at that.

 

One technique that does have some merit is centrifugal casting. In this
example you have more energy at your disposal to consolidate the solid
loading in the absence of proper vacuum processing equipment. The propellant
mix is prepared and post degassed using vacuum, turnover and vibration as
usual. The prepared propellant is then transferred into the motor case or
casting tube with a cap on one end. The case is then closed with a cap on
the remaining open end and the whole affair is spun, longitudinally in a
spin fixture or a lathe equipped with explosion proof electrics (I'm sure).
The case is spun at moderate speed until the propellant cures.

 

After the propellant has cured, a section through the propellant will show
very high solid consolidation with a resin rich condition on the ID surface.
The next step is to use your explosion proof lathe to bore out the excess
resin on the ID and you will have an extraordinarily high solids loaded
propellant grain remaining. Some experimentation is required to optimize the
particle morphology and the speed should be optimized to produce the most
consolidation while minimizing the migration of the smaller diameter
particles.

 

To optimize the process further, one end of the case should be supported by
a roller steady and the dam on that end should have an opening to allow the
slow and well placed transfer of the propellant into the case while it's
spinning instead of putting the whole mess in there at the beginning. This
actually works and you can achieve some impressive densities using this
method.  

 

 

Anthony J. Cesaroni

President/CEO

Cesaroni Technology/Cesaroni Aerospace

 <http://www.cesaronitech.com/http://www.cesaronitech.com/

(941) 360-3100 x101 Sarasota

(905) 887-2370 x222 Toronto

 

 

From: arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx <mailto:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx>
<arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx <mailto:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx> > On
Behalf Of Edward Wranosky
Sent: Thursday, July 11, 2019 3:43 PM
To: arocket@xxxxxxxxxxxxx <mailto:arocket@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [AR] Re: Vacuum processing of solid propellant

 

Is there any sort of VARTM like process for manufacturing propellant?

 

Edward

 

On Mon, Jul 8, 2019 at 8:39 AM William Claybaugh <wclaybaugh2@xxxxxxxxx
<mailto:wclaybaugh2@xxxxxxxxx> > wrote:

Uwe:

 

Yeah, as Anthony observed it is air trapped on the solids that produces the
problem.

 

The AP is tri-modal (200, 400, 600 micron) and mixed via a sieve on-site,
lots of opportunity for air to entrain in that process.

 

The Al is 5 micron and picks up air rather like a sponge.  Wetting it and
degassing might help some but the subsequent final mixing w: the AP is going
to introduce air.

 

I'm thinking the strategy is going to be to post processing degas a set of
samples (5 minutes, 10, 15) and compare density gain per step.  That should
offer a guess as to what can be achieved before the mix sets up.

 

Bill 

 

On Mon, Jul 8, 2019 at 12:18 AM Uwe Klein <uwe@xxxxxxxxxxxxxxxxxxx
<mailto:uwe@xxxxxxxxxxxxxxxxxxx> > wrote:

Am 07.07.2019 um 19:59 schrieb William Claybaugh:

Uwe:

For safety we can't mix the Al & AP together;

reminds me of the special 3 outlet can used for
chemically silvering mirrors back when. :-)

Hmm.
create separate airless pastes with each component as a first step?

Delayed wetting of solids always introduces air.

processing usually
proceeds by mixing the liquids (including catalyst), adding the aluminum
to the liquid mix w/ careful hand stirring), then folding into the AP
followed by final mixing.

Bill

On Sun, Jul 7, 2019 at 11:37 AM Uwe Klein <uwe@xxxxxxxxxxxxxxxxxxx
<mailto:uwe@xxxxxxxxxxxxxxxxxxx
<mailto:uwe@xxxxxxxxxxxxxxxxxxx ;<mailto:uwe@xxxxxxxxxxxxxxxxxxx> >> wrote:

    Am 07.07.2019 um 18:39 schrieb William Claybaugh:
     > Does degassing the liquid components before mixing help or does the
     > subsequent mixing just reintroduce air?

    Use mixing machinery where the mixing implements don't break the
    surface. i.e. avoid "whipped cream" effects.

    Any fine grained solids will need degassing after they
    have been immersed in but not fully wetted by fluid components.
    IMU no way around it.

    Mix solids superficially, evacuate, add liquids on top.
    return pressure to normal.
    Then start mixing ( top mentioned prerequisites apply :-)


    Uwe



Other related posts: