[AR] Re: Aluminium vs Magnalium

  • From: "Jim Rosson" <jmrosson@xxxxxxx>
  • To: <arocket@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Mon, 9 Apr 2018 06:36:29 -0700

Have done a lot of work with Magnalium in APCP.  

Now that I am retired from rocketry, I guess should not keep 20+ year old data 
a secret?

 

1) Magnalium provides a lower ISP density than using either Al or Mg alone.  It 
is also more costly than Mg or Al powders.  

Would not suggest using it, unless you need it to solve another challenge, or 
it is cheaper for you to obtain.

 

2) Magnalium is more stable than Mg alone in presence of oxidizer, IE  It does 
not oxidize in APCP matrix very quickly.  Had some shelf storage test samples 
where MgAl particles showed almost no changes after 10 years.  While the 
uncoated Mg powder inside APCP grains had visible surface corrosion.  By 
comparison, samples using coated metal powders showed some minor surface 
changes.   NFPA regulations require APCP to have minimum 5 year shelf life, and 
most uncoated metal powder passes (though not recommended as metal powder 
corrosion in APCP matrix inhibits initial ignition).

 

3) Magnalium has lower combustion temperature than Mg (but higher than Al).  
When using large levels of metal powder (>3-5%), MgAl alloy will provide a 
lower chamber temperature and might reduce insulation requirements .vs. Mg.  

Note-When using high levels of any metal, be aware that a motor needs 
sufficient chamber volume and length to allow complete reaction of metal powder 
into reacted molecules.  Failure to have large enough space, will result in 
metal slag collecting on nozzle and/or burning in plume (creating lower 
combustion efficiency than expected).

 

4) Magnalium creates distinct “instability” to APCP combustion (.vs. use of 
separate Mg and/or Al powders)

a- Most noticeable impact of Magnalium instability is change to acoustic 
resonance during combustion, but can also be observed as pressure/thrust 
“noise” depending on particle sizes.   Do not have data handy, but my tests 
with MgAl alloy powders generated a low frequency instability between 
500-2500Hz.  If test stand sensors react fast enough it is easy to spot a 
potential MgAl alloy APCP motor test burn by uniform noise across entire thrust 
curve.   

After I learned how to control the acoustic effect created by MgAl alloy, I 
used it to help create a louder “roar” in some of AMW color motors I developed 
in 80’s.   Furthermore, part of thunderous roar generated by my famous SkidMark 
motors was due MgAl alloy powder instability. J   

 

b- A secondary impact of Mg & Al in APCP is changes to exhaust plume color.  
Again, I do not have data handy to quote exact color temperatures from 
spectroscopy plots; but aluminum burns lower temp yellow white color, Magnesium 
burns hot with a blue white color; while Mg & Al together burns cooler than Mg 
with a more neutral white color.   This property is extremely helpful when 
adding metal needed for increased ISP, yet need to stop metal from washing out 
color in special effects motor plume.  Using a MgAl alloy makes most green 
plumes a darker green, and exhibit less color washout at nozzle exit.

 

I am not a chemist/physicist , best I could figure out about instability was 
this:  

When Magnalium undergoes combustion inside APCP motor, it appears to have 2 
phase transitions.   First phase is conversion from solid to liquid, and if 
chamber temperature is high enough - second phase is separation of Al and Mg 
into plasma.  Since Al and MG have different activation energies, specific 
heat, and different melting points;  it is the 2nd phase alloy breakdown that 
creates instability.   Based on some limited color temperature measurements on 
nozzle less motors, I believe 2nd phase actually lowers chamber temperature in 
a finite space when it happens, which creates pressure variations.      

 

PS – Over the years since I first created AMW motors using MgAl, it’s use 
diminished.   

The new purveyors of my work have re-designed the retail motors to:  be cheaper 
(MgAl alloy is 2-3x cost of separate powders), have simplified mfg (similar but 
not same instability can be created without MgAl), generate reduced color 
density (Green is cool regardless of whether it is dark or light), and reduced 
sound output (newer White Wolf motors are wimpy Chihuahua snarl compared to 
original growling dogs that left my mixer).

 

Most difficult part of using Mg or MgAl (.vs. Al) is increase in chamber 
temperatures, especially when using large amounts of metal (>3-5%).   I can not 
count how many times I have witnessed high metal APCP motors work first burn, 
and then experience an overpressure casing failure the second burn.  In past 
folks did not realize how much heat the graphite nozzle transmits to Al casing 
on commercial reload designs, and they cook casing during testing.  If you 
intend to build any motor with more 5% metal, be sure to fully insulate 
graphite nozzle from casing, or use phenolic/ceramic nozzle material that 
insulates combustion heat away from case.

 

Keep pointy end up!

Jim

 

From: arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx [mailto:arocket-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On ;
Behalf Of Vertical Limits
Sent: Wednesday, April 04, 2018 2:53 AM
To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [AR] Aluminium vs Magnalium

 

Hi list,

 

When making a fairly straight forward APCP with 70/8 AP/Al what would be the 
benefit of exchanging the Al for Magnalium? I see some pretty big motors from 
the CSXT and Qu8k using Magnalium. Or in general: what are the benefits of 
adding magnesium to an all Al propellant?

 

For a short introduction:

After a intermezzo of about 15 years I rediscovered the arocket list and 
subscribed again. Last year I changed from using sugar motors to APCP motors. 
On  <http://www.verticallimits.nl/> www.verticallimits.nl a recent static test 
of a 10kNs APCP motor can be found. I will be flying this motor in 3 weeks’ 
time, all going well.

 

Regards,

VL

Other related posts: