Thermal protection technologies for solid propellant rocket engines

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The article examines the thermal insulation characteristics of materials used in solid-fuel rocket engines manufactured in the United States, France, Italy, Japan, and other developed nations. The internal surfaces of combustion chambers in these rocket engines are subject to significant stress under thermo-mechanical loading conditions, necessitating specialized protection. The authors identify four categories of reinforced elastomeric materials that most effectively meet stringent requirements. Due to their adaptability, these materials may serve as versatile heat insulators and may be employed in a variety of high-temperature and corrosive surroundings.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. V. Mironov

State Scientific Center of the Russian Federation “Keldysh Research Center”

Author for correspondence.
Email: kerc@elnet.msk.ru

доктор технических наук, заместитель генерального директора по средствам выведения, начальник отделения

Russian Federation, Moscow

M. A. Tolkach

State Scientific Center of the Russian Federation “Keldysh Research Center”

Email: tolkach@kerc.msk.ru

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

Russian Federation, Moscow

A. G. Timarov

State Scientific Center of the Russian Federation “Keldysh Research Center”; Moscow Aviation Institute (Scientific Research University)

Email: Timarov@kerc.msk.ru

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, доцент

Russian Federation, Moscow; Moscow

References

  1. Maurizio N., Kenny J.M., Torre L. Science and technology of polymeric ablative materials for thermal protection systems and propulsion devices: A review // Progress in Materials Science. 2016, vol. 84, pp. 192–275. http://dx.doi.org/10.1016/j.pmatsci.2016.08.003
  2. Sutton P., Biblarz O. Rocket propulsion elements. Wiley-IEEE, 2000, pp. 268–340. https://www.academia.edu/4465796/Rocket_Propulsion_Elements_Seventh_Edition
  3. Donskoy A.A. Elastomeric heat-shielding materials for internal surfaces of missile engines // Zaikov G.E, ed. New approaches to polymer materials. Nova Publishers, 1995, pp. 93–124. http://dx.doi.org/10.1080/00914039608029377
  4. Bhuvaneswari C.M., Sureshkumar M.S., Kakade S.D. and Gupta M. (2006). Ethylene-propylene diene rubber as a futuristic elastomer for insulation of solid rocket motors // Defence Science Journal. 2006, vol. 56, no. 3, pp. 309–320. https://core.ac.uk/download/pdf/333720277.pdf 10.14429/dsj.56.1894
  5. Rheeder A. Development and Evaluation of Thermal Protection Material for Solid Rocket Motors / April 2022. https://scholar.sun.ac.za/items/6d7ea1f8-d027-4198-abfb-0dbbbbc1ab94
  6. Gubertov A.M., Mironov V.V., Volkova L.I. et al. Gasdynamic and Thermophysical Processes in Solid Propellant Rocket Engines / Koroteev A.S., ed. Moscow: Mashinostroenie, 2004.
  7. Rogowski G.S., Davidson T.F., Ludlow T. Insulating liner for solid rocket motor containing vulcanizable elastomer and a bond promoter, which is a novolac epoxy or a resole, treated cellulose. https://patents.google.com/patent/US4956397A/en
  8. Kesiya G., Panda V., Mohanty S., Nayak S. Recent developments in elastomeric heat shielding materials for solid rocket motor casing application for future perspective // Polym. Adv. Technol. 2019, vol. 29, pp. 8–21.
  9. Amado J.C.Q., Ross P.G., Sanches N.B. et al. Evaluation of elastomeric heat shielding materials as insulators for solid propellant rocket motors: A short review // The Open Chemistry Journal. 2020, vol. 18, pp. 1452–1467. https://doi.org/10.1515/chem-2020-0182
  10. Nesterov B.A., Vorozhtsov K.V. Manufacturing Technology of internal heat protection coating with fabric liner of metal case of solid rocket motor // Vestnik PNRPU. Aerospace engineering. 2015, no. 40. doi: 10.15593/2224-9982/2015.40.10
  11. Nesterov S.V. Bakirova I.N., Samuilov Ja.D. Thermal and thermo-oxidative degradation of polyurethanes: mechanisms, impact factors and main methods of increasing the thermal stability. Review based on the Russian and foreign published papers //Herald of Kazan Technological University, 2011, no. 14, pp. 10−23. https://cyberleninka.ru/article/n/termicheskaya-i-termookislitelnaya-destruktsiya-poliuretanov-mehanizmy-protekaniya-faktory-vliyaniya-i-osnovnye-metody-povysheniya?ysclid=lo4doqlika765444594
  12. Maurizio N., Rallini M., Puglia D. et al. EPDM based heat shielding materials for solid rocket motors: A comparative study of different fibrous reinforcements // Polym. Degrad. Stabil. 2013, vol. 98(11), pp. 2131–2139. http://dx.doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2013.09.006
  13. Kesiya G., Panda V., Mohanty S., Nayak S. Recent developments in elastomeric heat shielding materials for solid rocket motor casing application for future perspective // Polym. Adv. Technol. 2017, vol. 29(11), pp. 1–14. https://doi.org/10.1002/pat.4101
  14. Hongjian Qu, Le Wang, Kun Hui et al. Enhancing Thermal Insulation of EPDM Ablators via Constructing Alternating Planar Architectures. // Polymers 2022, vol. 14, article number 1570. https://doi.org/10.3390/polym14081570
  15. Ahmed A.F., Hoa S.V. Thermal insulation by heat resistant polymers for solid rocket motor insulation // J. Compos. Mater. 2012, vol. 46, pp. 1549–1559. doi: 10.1177/0021998311418850
  16. Guillot D.G., Harvey A.R. EPDM Rocket Motor Insulation. arXiv:1011.1669v3. US 7,371,784 B2. https://ntrs.nasa.gov/citations/20080025653
  17. Sutton P., Biblarz O. Rocket propulsion elements. Wiley-IEEE, 2000. pp. 474–518. https://www.academia.edu/4465796/Rocket_Propulsion_Elements_Seventh_Edition
  18. Prasertsri S., Amnuay P., Sripan K., Nuinu P. Role of hydroxyl-terminated polybutadiene in changing properties of EPDM/ ENR blends // Adv. Mat. Res. 2013, vol. 844, pp. 349–352. http://dx.doi.org/10.4028
  19. Harvey A.R. et al. Rocket motor insulation containing hydrophobic particles. Patent no. WO 01/04198; 2001. https://patents.google.com/patent/US6606852B1/en
  20. Mosa M., Kotb M.M., Fouda H., Gobara M. Study of Elastomeric Heat Shielding Materials for Solid Rocket Motor Insulation/International Conference on Chemical and Environmental Engineering (ICEE-11) // Journal of Physics: Conference Series. 2022, vol. 2035(1), article number 012037. doi: 10.1088/1742-6596/2305/1/012037
  21. Dong Zh., Wei L., Yucai Sh. et al. Improved Self-Supporting and Ceramifiable Properties of Ceramifiable EPDM Composites by Adding Aramid Fiber // Polymers. 2020, vol. 12, p. 1523. http://dx.doi.org/10.3390/polym12071523
  22. Gajiwala M.H., Hall B.S. Precursor compositions for an insulation, insulated rocket motors, and related methods, EP 3375817 (A1). Plymouth, MN 55442 (US): Orbital ATK, Inc.; 2018. https://patents.google.com/patent/EP3375817A1/en
  23. Wu S. et al. EPDM-based heat-shielding materials modified by hybrid elastomers of silicone or polyphosphazene // High Perform. Polym. 2019, vol. 31(9–10), pp. 1112–1121. doi: 10.1177/0954008318824861.
  24. Stephens W.D., Salter C.L., Hodges G.K. et al. Rubber binder, fiber filler, submicroscopic particulate water source. US patent no. 5830384; 1998.
  25. Donskoy A.A. Elastomeric heat shielding materials for internal surfaces of missile engines // Int. J. Polym. Mater. 1996, vol. 31, pp. 215–236. http://dx.doi.org/10.1080/00914039608029377
  26. Yang D., Zhang W., Jiang B., Guo Y. Silicone rubber ablative composites improved with zirconium carbide or zirconia // Composites Part A. 2013, vol. 44, pp. 70–77. http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesa.2012.09.002
  27. Ji Y., Han S., Chen Z., Wu H. et al. Understanding the Role of Carbon Fiber Skeletons in Silicone Rubber-Based Ablative Composites // Polymers. 2022, vol. 14, p. 268. https://doi.org/10.3390/polym14020268
  28. Lee J. Flammability studies of thermoplastic polyurethane elastomer nanocomposites. 50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC structures, structural dynamics, and materials conference; 2019. doi: 10.2514/6.2009-2544
  29. Schiariti D, Bellomi P. Inner coating layer for solid propellant rocket engines/United States Patent. US 11,473,529 B2; Oct. 18, 2022. https://patentimages.storage.googleapis.com/10/47/e0/1b4f495a3af05e/US11473529.pdf

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Classes of heat-protective materials

Download (19KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The main subclasses of polymer ablative materials of the PAs type

Download (34KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Structure of the ethylene-propylene-diene monomer Sources: [9, 13].

Download (11KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Structure of nitrile butadiene rubber (NBR) Sources: [9, 20].

Download (5KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Structure of polydimethylsiloxane

Download (12KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. The structure of PU-ETZM Source: [9].

Download (8KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».