home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Hacker's Secrets 4 / Hacker's Secrets 4.iso / anarchy / prop1.txt < prev    next >
Text File  |  1995-11-30  |  17KB  |  283 lines

  1.                        .... Composite Rocket Fuels ....
  2.                          
  3. DISCLAIMER: The following file contains information of harmful or illegal
  4.             nature. Neither the BBS or author providing this information
  5.             can be considered responsible for the use of this file.
  6.             The person using this knowledge is solely responsible for 
  7.             it's use or misuse. This file is intended to educate only.
  8.  
  9.  
  10.              
  11.                              1.) Introduction
  12.                               
  13. Composite propellants are solid rocket fuels that are composed of separate
  14. fuels and oxidizers mixed together in one homogenous mass. This propellant
  15. is then either molded into a grain to be inserted in an engine or cast in an
  16. engine casing and left to harden. The fuels and oxidizers taken separately
  17. are generally unreactive. Composite propellants are used in a number of
  18. engines. There are engines that use water for fuel and an oxidizer, air for
  19. an oxidizer like a ramjet, and a liquid/solid engine that can be throttled. 
  20. The rocket motors discussed here a best built by the amateur with propellant
  21. weights below 2 lbs. and preferably under 1 lb. This is still powerful enough
  22. to shoot a sizable rocket to well over 4 miles altitude.
  23. Before I get into propellant mixtures a few terms to learn are:
  24.   Specific Impulse - Defined as the impulse (force * time) delivered by
  25.                      burning a unit weight of propellant in a rocket engine.
  26.                      
  27.   Volume Specific Impulse - The product of specific impulse and density. This
  28.                             is expressed in pound-seconds per cubic inch.
  29.                             If the propellant's weight is kept constant, a
  30.                             propellant with a lower Isp but a higher density
  31.                             may outperform one with a greater Isp but a
  32.                             lower density.
  33.  
  34.   Specific Force - This is a measurement of the ability for a gas to perform
  35.                  work. Specific force (F) is expressed in foot-pound per
  36.                  pound.
  37.                  
  38.  
  39.                             3.) OXIDIZERS
  40.  
  41. Composite propellants contain both an oxidizer and a fuel. The oxidizer may
  42. be a monopropellant and as such contributes power to the propellant mix.
  43. The ideal oxidizer should decompose into totally gaseous exhaust.
  44.  
  45. Oxidizers used in composite propellants : Potassium perchlorate (KClO4).
  46. Potassium pechlorate was one of the first used oxidizers. One of it's draw-
  47. backs is the product of decomposition ( potasium chloride ) is not a gas at
  48. regular temperatures and does not contribute as a working gas. The KCl 
  49. appears as a dense smoke in the rockets exhaust. Burning rates of propellants
  50. made with KClO4 are usually high at 0.8 - 0.9 in/sec at 1000 PSI. Densities
  51. of fuels made with KClO4 also tend to high at 1.8 - 2.0 gm/cc. Specific
  52. impulses are usually below 200 lb-sec/lb. Potassium perchlorate is hardly
  53. ever used im modern propellants.
  54. Ammonium Perchlorate NH4ClO4. This is the oxidizer of choice when possible.
  55. The products of diassociation of NH4ClO4 are 100% gas. The specific impulse
  56. of propellants using this oxidizer reaches 250 lb-sec/lb. Depending on the 
  57. percentage of NH4ClO4 the burning rate may reach or exceed 0.5 in/sec. The
  58. products of exhaust are N2, CO, CO2, H2, H2O, and HCl. The HCl may pose some
  59. problem if the engine is used in high humidity as the HCl vapor may form
  60. visible hydrochloric acid fumes.
  61. Ammonium Nitrate NH4NO3. This oxidizer is useful as it is usually available
  62. in bulk weight. The products of disassociation of NH4NO3 are 100% gas. How-
  63. ever the temperatures produced by the propellant are low. For this reason,the
  64. specific impulse of NH4NO3 propellants are usually no greater than 180 lb-sec
  65. /lb and low percentage propellants have an Isp of 75 lb-sec/lb. The products
  66. of exhaust of NH4NO3 propellants are N2, CO, CO2, H2, H2O. These gases cause
  67. no special problems. The burning rate of NH4NO3 Propellants are low, ranging
  68. from 0.05 in/sec to 0.27 in/sec. The higher burning rates are possible if
  69. catalysts are used in the propellant. Prussian blue, chromium compounds
  70. (ammonium dichromate), or cobalt compounds are catalysts that are used. 
  71. Ammonium nitrate is hygroscopic and undergoes a phase change if the temper-
  72. ature goes above 90 deg./F. Because of this phase change, some grains may
  73. crack if the temperature cycles about this temperature. The burning temper-
  74. ature of NH4NO3 propellants are lower than any other propellants especially
  75. at low percentages of oxidizer.
  76. Lithium Perchorate LiClO4. Some work has been done using lithium perchlorate
  77. as an oxidizer. The lithium chloride formed in the exhaust is a gas at high
  78. temperatures. Lithium salts are hygroscopic and must be protected from high
  79. humidity. Burning rates of LiClO4 propellants are similar to KClO4 mixtures.
  80.  
  81.                                  4.) FUELS
  82.                                  
  83. Fuels Used in Composite Propellants : Since most rubbers and polymers are not
  84. available to the general public, some adjustments have to be made. A good
  85. source of plastics is an auto supply store. There you can find epoxy resin
  86. which can be used as a fuel. You will also find fiberglass resin. This is a
  87. liquid made from polystyrene and polyester resin. It is catalyzed with a few
  88. drops of hardener. PVC plastic can be dissolved in tetrahydofuran to make 
  89. a thick paste. This can be mixed with an oxidizer and allowed to dry for an 
  90. extended time to form a propellant grain. Asphalt was used in some JATO units
  91. about 30 years ago but it was found lacking when used at high temperatures.
  92. Some fuels used in commercial engines are polyurethane rubber, polysulfide
  93. rubber, and butadiene-acrylic acid. Non ferrous metals are added to propell-
  94. ants to increase the temperature of combustion and consequently the Isp. The
  95. metals most used are aluminum, magnesium, and copper. The metals are usually
  96. added in amounts of 5% - 25%. In engines designed to breath water as an oxid-
  97. izer, metal amounts to about 50% to 80% of the weight of the propellant. The
  98. other components are usually ammonium perchlorate and a polymer.
  99.  
  100. Propellant Grain Geometry : If the grain is ignited from end on, like a
  101. candle burns, the thrust will be steady or neutral. If the grain has a hole
  102. in it extending end to end and the combustion takes place from the inside out
  103. then the thrust will rise to a peak or be progressive. This is because the
  104. surface area of the grain becomes greater as it burns whereas in a neutral
  105. grain the surface area remains the same. A cruciform shaped grain produces a
  106. large amount of thrust first then tapers off because the surface area becomes
  107. smaller. If the grain is tubular and the combustion takes place from both the
  108. inside out and the outside in, then the thrust will be neutral but fast
  109. burning.
  110. Wherever you wish the grain not to burn, it must be coated with a retardent.
  111. Epoxy works well as a retardent as does Elmers white glue. At least two coats
  112. of retardent should be used. An epoxy retardent can be used to retain a grain
  113. in a rocket engine. When tubular grains are used, the igniter is usually put
  114. towards the nose of the rocket and fires backwards towards the nozzle. This
  115. insures the grain is ignited completely.
  116. Inspect the propellant grain for any cracks or imperfections. A crack can 
  117. cause the surface area of the propellant to increase astronomically. This can
  118. cause an explosion because of the increased pressure.
  119.  
  120.  
  121.                             5.) PROPELLANT MIXTURES
  122.  
  123. The ratios of oxidizers and fuels depends on the type of engine desired. The
  124. amount of oxidizer can be as high as 90% as in some ammonium nitrate mixes to
  125. as little as 20% ammonium perchlorate as in some water breathing engines.
  126.  
  127. A fast burning mixture: Potassium Perchlorate 20%
  128.        Isp=200          Ammonium Perchlorate  55%
  129.                         Epoxy Resin/Hardener  17%
  130.                         Powdered Aluminum      8%
  131.  This is very fast burning but the exhaust makes a fairly heavy smoke.
  132.  
  133. A slow burning propellant. Great for sustainer engines.
  134.        Isp=165          Ammonium Nitrate     70%
  135.                         Ammonium Perchlorate 10%
  136.                         Polyester Resin      18%                        
  137.                         Powdered Charcoal     2%
  138. Not very powerful but useful. The charcoal helps keep the combustion steady.
  139.  
  140. A very powerful mixture: Ammonium Perchlorate 75%
  141.       Isp=250            Powdered Aluminum    10%
  142.                          PVC in THF           15%                        
  143. All the ingredients should be dampened with THF (tetrahydrofuran) before
  144. mixing. Do this in an area with very good ventilation and wear rubber gloves
  145. to keep from contacting the THF with bare skin. This mixture is best used in
  146. a perforated grain to help the solvent evaporate.
  147.  
  148. An ammonium nitrate based propellant: Ammonium Nitrate   70%
  149.              Isp=160                  Powdered Aluminum   5% 
  150.                                       Polyester Resin    18%
  151.                                       Ammonium Bichromate 5%
  152.                                       Powdered Charcoal   2%
  153. A good mix when perchlorates are not available.
  154.  
  155. Do not under any circumstances use chlorates for rocket propellants. You will
  156. not make a rocket, just a pipe bomb with fins.
  157.  
  158.  
  159.                       6.) COMPOUNDING PROPELLANTS
  160.  
  161. One thing to keep in mind when making a propellant, the volume of fuel/binder
  162. to volume of oxidizer and additives must not be too low. If it is then the
  163. mixture will be too dry to mix well. It will also hurt the strength of the 
  164. grain. You may have to cut down on the amount of oxidizer depending on the
  165. fuel you are using.
  166. For rockets weighing 1 pound and less the easiest way to make the propellant
  167. is to obtain a suitable container for mixing and put in the bottom of it the
  168. correct amount of fuel/binder. The other ingredients are added one at a time 
  169. to the fuel and mixed in. One thing that really determines the success of a
  170. propellant is the particle size of the oxidizer. It should be as finely
  171. powdered as possible. Continue mixing the propellant until it is a homo-
  172. geneous mixture. Now pour it or stuff it into the engine casing taking care
  173. to eliminate all air bubbles. Any mandrels needed to form the grain to shape
  174. shpould already be lubricated for release and in place. After waiting a suit-
  175. able time for the binder to harden, remove the mandrels and place the engine
  176. in a warm place to finish curing. Inspect the grain for any cracks or imper-
  177. fections.
  178. Some large propellant grains are constructed by cementing smaller grains to-
  179. gether. Disks of propellant can be glued and stacked to form a long grain.
  180. The disks can be drilled with a number of holes to make a progressive or
  181. regressive burning grain. The holes are lined up when the disks are stacked.
  182. If you construct a press with a number of guide rods to match the drilled
  183. holes, so much the better. The cement can be a very thin layer of the polymer
  184. used to make the grain. If you are using a PVC based grain, then dampen both
  185. mating surfaces with THF and press them together for a minute before adding
  186. the next disk.
  187. You can also load a cardboard casing with the propellant. After the prope-
  188. llant is cured, this cartridge is loaded into the engine.
  189. When drilling these propellants or using any power tool for shaping them, use
  190. the lowest speed while checking to make sure no heat is building up on the
  191. cutting surface. If care is used, machining propellants is safe.
  192.  
  193.                             7.) ENGINE CONSTRUCTION
  194.  
  195. The typical engine is designed to operate at 1000 psi. The casing of the
  196. engine should be able to withstand at least 3000 psi as a safety factor. A
  197. low carbon seamless steel tube with 1/16" walls can withstand that sort of
  198. pressure. If the tubing has a welded seam, test fire a few engines to see if
  199. the tubes can take the pressure. One drawback to using steel as an engine
  200. casing is if the engine explodes you have some very lethal shrapnel flying
  201. around. If you use a high strength/high heat plastic you can eliminate some
  202. of this danger. Epoxy can be used to wet down a mat of fiberglass then the
  203. fiberglass is rolled around a large dowel to form a casing. The dowel has to
  204. be coated with a lubricant to keep the epoxy from gluing the casing and 
  205. dowel together. Or you can obtain a heavy cardboard tube with the correct ID
  206. and coat it with epoxy then wrap epoxy/fiberglass around it. If the tubes are
  207. constructed properly they can take quite a bit of pressure before splitting
  208. apart.
  209. An rocket engine is equipped with a nozzle to accelerate the exhaust out of
  210. the rocket at a high velocity. A nozzle has a convergent section that does 
  211. this. A divergent section of nozzle is used to lower the exhaust pressure
  212. so the exhaust gases accelerate out of the engine at high speeds.
  213. The nozzle of the engine can be machined out of metal or made of a fireproof
  214. ceramic. If the nozzle and the casing are metal, they can be brazed together
  215. before the engine is loaded. The nozzle can also be screwed into place by
  216. using 4 - 6 screws going through the side of the casing into the nozzle. Care
  217. must be used to see that the screws don't break through the inside of the
  218. nozzle. On smaller rockets, you may be able to get away with plaster of paris
  219. nozzles or for more powerful motors try pressing a mixture of 90% kaolin and
  220. 10% aluminum oxide into a nozzle shape in the casing. Dampen the mix with a
  221. little water before pressing. You can make a nozzle die by turning 2 pieces
  222. of hardwood into divergent/convergent sections. This die should be fitted 
  223. with a dowel guide pin at the mating points to help keep the die straight.
  224. A nozzle can be made from just a divervent section. This can be easily made
  225. by drilling the required hole in a section of nozzle. Then by drilling out
  226. the first hole with larger drills without completely breaking through, a
  227. diverging nozzle is formed. Smooth out the ID of the nozzle after drilling 
  228. the holes. This type of nozzle is pretty good on smaller engines with a 1" ID
  229. or less. By using some ingenuity, you should have no problem in making a 
  230. servicable nozzle. A rule of thumb to use for the ID of the nozzle is to use
  231. a hole that has an area (repeat-area,not diameter) 1/3 the area of the ID of
  232. the rocket engine casing.
  233. Most propellants burn unsteadily at low pressures. Solid rocket engines are
  234. equipped with a blast plug that allows the pressure to build up in the engine
  235. before being blown out like a cork in a bottle. Sometimes the ignitor is
  236. combined with the blast plug in a single unit. A stiff plastic disk makes for
  237. a good plug. It should have a thickness of about 1/16".
  238. The engine is sealed with a plug in the fore section. Depending on the con-
  239. struction of the engine this plug may be made of wood, plastic, or metal. It
  240. is held in place with either screws or epoxy. This plug must make the casing
  241. gas tight. Remember most rockets develop 1000 PSI.
  242. The ignitor is simply an electric match. It can be made with nichrome wire
  243. or a small light bulb. The match is used to ignite a small charge of black
  244. powder that in turn ignites the propellant. The ignitors leads should be 
  245. shunted together to eliminate premature ignition. A fuse can be used instead
  246. of electric ignition. If you go this route, be sure of the burning time of
  247. the fuse and allow yourself enough time to retreat to safety after igniting
  248. the fuse. I cannot recommend using a fuse because you cannot stop a fuse
  249. from burning if someone walks into your launch area. With electric ignition,
  250. everything is under your control until the time of launching.
  251.  
  252.                              8.) Engine Design
  253.  
  254.    It would be nice to be able to give you the complete info on designing
  255. rocket engines. However, the required math would be a file about 300K in
  256. length. Also this file is mainly about propellants. The other info is gravy.
  257.  The best I can offer is to check out your local library for design
  258. and engineering books. If you want to build a rocket to simply shoot off to
  259. stroke your pyro perversions, build a small engine containing no more than
  260. 4 oz. of fuel. Use a paper casing to keep the danger down and chances are
  261. very good that if your construction is sound you'll get the thrill of seeing
  262. your rocket go out of sight. If you plan to hoist a payload into suborbital
  263. projectory however, learn about thermodynamics, interior ballistics, and
  264. propellant chemistry.
  265.  I recommend trying to get the book Amateur Rocketry Handbook. This
  266. book is out of print but it was put together by the Fort Sill Artillery 
  267. School and contains a lot of valuable info.
  268.  
  269.                        9.) Testing and Firing
  270.  
  271.     You should construct a few engines exactly the same and test fire a 
  272. number of them to find out what to expect when you finally do launch a rocket
  273. . The engines can be buried nozzle end up in the ground and fired. Time the
  274. burning of the engine to figure out the rate of combustion of the propellant.
  275. Inspect the casing to see how it stood up. If everything seems okay you can
  276. construct a static testing fixture to measure the thrust. Keep in mind that
  277. even a small engine can put out a few hundred pounds thrust for a split 
  278. second. When you do launch a rocket, keep people away from the launch site
  279. and under cover. Check out the skies for airplanes or other traffic. Don't
  280. launch rockets under conditions of low visibility or heavy winds.
  281.  
  282.  
  283.