Clearwater, FL 33762­3840 Copyright ©2007 

New Generation Propulsion and Ordnance Technology at SPS: 

Developing Environmentally Clean Technologies for both the Military and 

Commercial Space Applications 

ABSTRACT Serious  air,  soil  and  groundwater  environmental  problems  have  developed  globally  form  the manufacture,  storage  and  use  of  current  solid  rocket  propellants  and  ordnance  products.  In 1993,  the  US  Government  initiated  new  programs  to  not  only  cleanup  the  current environmental problems, but  to  reduce  the environmental  impact  and  improve  the  safety of new solid propellants and ordnance products under development.  

Current  rocket propellants use  a  chemical  called Ammonium  Perchlorate  (AP).  These  are  the highest energy propellants that are the most stable, so are relatively safe to use (not produce). When  these  rocket propellants are used,  they produce clouds of hydrochloric acid, which are considered a serious pollutant. Serious groundwater and soil contamination has been found for this toxic chemical, and is now considered a serious pollutant. The aerospace industry has been working on a means to use other new, less and non‐toxic (green), chemicals (HZN, ADN, CL‐20, AN)  as  replacements  for AP.  Serious  problems  exist,  however,  in  both  processing  these  new fuels using conventional methods and  in  the performance of  these propellants when used, so none are currently available. 

The  New  Generation  SPS  MFC™  solid  propellant  and  ordnance  product  manufacturing technology  can  readily  process  these new  Green  chemicals  into  rocket  fuels (we  already demonstrated this with AN (Ammonium Nitrate) at our University of South Florida program). In the MFC™, these chemicals are processed into a suitable form to safely make rocket propellants (first we make  spherical  particles  of  these  chemicals  and  then  encapsulate  them in  a  highly stable fuel, this forms the core of the MFC™). These MFC™ particles are even easier to process into rocket propellants (as shown by NAWC China Lake during production of test samples) than even current chemicals used in rocket propellants. Other chemicals can also be  included  in the MFC™ in a safe way to make the final rocket propellants even safer and perform better (tailoring their performance).  The  MFC™  is  a  protected  environment  that  can  contain  highly volatile chemicals that will only be mixed and reacted during the launch of the rocket. 

 The MFC™  is  unique  in  that  nearly ANY  combination  of  chemicals  can  be made  into  rocket propellants. All these rocket propellants can be processed easily into final rocket engines in the same way, no matter what chemicals are used, and the performance (how fast it burns and how much push  is produced)  can be  tailored  chemically by modifying  the properties of  the MFC™ particle  used  to  make  the  propellant. Therefore,  Super  Propellants, high  power  Green propellants, and conventional AP propellants currently in use can all be processed in safety and with  ease,  all exactly  in  the  same way,  and made  into  rocket  propellants  for  use  in  today's rockets  and  new  future  rockets  or  new  ordnance  products  for  commercial  or  military applications.

  ‐ i ‐ 

Index 

 

Environmental Concerns: Solid Rocket Propellants and Military Ordnance.....................................................................................1 

Hydrochloric acid, a Principal Air Pollutant ............................................................ 1 

Soil  and  Ground  Water  Contamination  from  Manufacture  and  Storage  of Ammonium Perchlorate Based Propellants............................................................ 2 

Other Contamination Problems – Military Ordnance ............................................ 2 

SPS and Green Chemistry in Product Design and Manufacture..................4 

Green Chemistry ..................................................................................................... 4 

Principles of Green Chemistry ................................................................................ 4 

SPS Green Propellants............................................................................................. 6 

SPS Green Manufacturing Processes .......................................................... 6 

Manufacturing based on Supercritical Fluids ............................................. 6 

Prevention of Accidental Releases during Manufacture ........................................ 7 

Propellant and Ordnance Safety and Hazards Analysis – Insensitive Propellants and Ordnance .................................................................... 8 

Summary ..................................................................................................... 9 

 

 

 

 

  ‐ ii ‐ 

New Generation Propulsion and Ordnance Technology at SPS: 

Developing Environmentally Clean Technologies for both the Military and 

Commercial Space Applications 

Executive Order 12856 of 3 August 1993, paragraph 3‐303 requires each Federal Agency to establish a plan and goals for eliminating or reducing the unnecessary acquisition of products containing extremely hazardous substances or toxic chemicals.   Furthermore, DODD 5000.1 paragraph 23  states  that “All  systems containing energetic material will comply with Insensitive Munitions criteria.” 

Environmental Concerns: Solid Rocket Propellants and Military Ordnance Perchlorate is used in fireworks, safety flares, matches and car air bags, but 90 percent of  it  goes  into  solid  rocket  fuel  for  military  missiles  and  the  NASA  space  shuttle. American Pacific Corp. of Las Vegas and Kerr‐McGee Corp. of Oklahoma City were the sole U.S. producers until 1998, when American Pacific bought out its rival. 

Hydrochloric acid, a Principal Air Pollutant 

The classic example of environmental impact caused by current solid rocket propellants is  in Kazakhstan at  the Baikonur  launch  site, where  there are  reports of quite  serious environmental damage.  

For most shuttles, the damage comes from the solid rocket boosters, or SRBs, The SRBs are required at shuttle  launch to provide 71.4% of the thrust at  lift‐off and elevate the shuttle to an altitude of 45km (28 miles).  

As a shuttle  launches, a "cloud" becomes visible which contains SRB exhaust products, either dissolved or as particles in the water vapor released by the main engines.  

Hydrochloric acid formed in this launch cloud leads to acidic deposits in the surrounding area, a phenomenon which may also be observed some distance away  if exhausts are carried on prevailing winds.  

John Pike, president of GlobalSecurity.org, and an expert on the US space program says: "The hydrochloric acid can pit the paint on your car if it is too close to the launch site."  

1 

A  1993  NASA  technical  manual  considered  environmental  effects  of  space  shuttle launches at Kennedy Space Centre, and stated that some cumulative effects of launches in the nearby area are "reduction in the number of plant species present and reduction in total cover".  

The manual also pointed out  that acid deposit  from  the  launch cloud can also  impact nearby water lagoons and their wildlife. 

Soil and Ground Water Contamination from Manufacture and Storage of Ammonium Perchlorate Based Propellants 

Perchlorate  (ClO4‐)  is  used  primarily  as  an  oxidant  in  solid  propellant  in  rockets, 

pyrotechnics, airbag inflators, and highway safety flares. From accidental releases during propellant manufacturing, process waste  stream management, and  improper disposal practices,  ClO4

‐  has  become  a  contaminant  in  surface  and  groundwaters.  It  is  highly mobile and, due to its chemical stability, can persist for decades. ClO4

‐ has been found in drinking water in 34 states. 

ClO4‐  interferes with  thyroid hormone production by blocking  iodine  (I‐)  from entering 

the thyroid gland. Thyroid hormones play a crucial role  in metabolism throughout  life. They are also critical for proper prenatal brain development, making developing fetuses a sensitive subpopulation.  

Currently,  the National Academy of Sciences  is  reviewing  the health and  toxicological studies  used  by  the  EPA  to  help  assess  the  risk  posed  to  humans  by  ClO4

‐  in  the environment  and  to determine  the health endpoint of  concern. At  the  EPA,  research continues  to  better  characterize  the  occurrence  of  ClO4

‐in  the  environment,  assess human  exposure  pathways,  and  to  refine  treatments  to  remove  ClO4

‐  from  drinking water. 

Methods for measuring low levels of ClO4‐in drinking waters have improved dramatically 

in the past decade. However, the concentration of human health concern maybe lower than the best methods of the past  is capable of detecting. Scientists at the U.S. EPA  in Cincinnati, Ohio, are working to develop better methods for identifying and quantifying ClO4

‐ in drinking waters. 

Other Contamination Problems – Military Ordnance 

Other  compounds  used  in missile  and military  and  commercial  ordnance  have  been found to be extremely toxic to most organisms and have become global environmental health hazards.  In humans, exposure  to RDX and TNT and  their degradation products causes symptoms such as anemia and  liver damage. These chemicals can be  lethal and are  suspected  carcinogens.  Hundreds  of  tons  of  these  compounds  are  found  in 

2 

sediments  at  innumerable  manufacturing  sites  and  storage  sites  for  unexploded ordnance around the world. Tens of thousands of acres of land and water resources are unsafe because of RDX and TNT contamination. 

RDX ‐ Royal Dutch, Royal Demolition or Research Department Explosive  is used as part of a composite explosive in military munitions and in explosive demolition charges  

HMX ‐ High Melting Explosive  is a white crystalline solid used as a part of a composite explosive used in military munitions  

TNT ‐ 2,4,6‐Trinitrotoluene is produced at military arsenals and commercial facilities and is used alone, or as part of a composite explosive in military munitions  

Acetic  acid was  found  as  the  a major pollutant  from manufacturing processes of  the major  energetic  materials  currently  used  in  the  U.S.,  1,3,5‐trinitro‐1,3,5‐triazacyclohexane (RDX), 1,3,5,7‐tetranitro‐1,3,5,7 tetraazacyclooctane (HMX) . 

RDX has very  low solubility  in water and has an extremely  low volatility. RDX does not stick to soil very strongly and can move into the groundwater from soil. It can be broken down in air and water in a few hours, but breaks down more slowly in soil. 

RDX has become the second‐most‐widely used high explosive  in the military, exceeded only by TNT. As with most military explosives, RDX is rarely used alone; it is widely used as  a  component  of  plastic  explosives,  detonators,  high  explosives  in  artillery  rounds, Claymore mines, and demolition kits. RDX has limited civilian use as a rat poison. 

Waste‐water treatment sludges resulting from the manufacture of RDX are classified as hazardous wastes and are subject to EPA regulations. Munitions such as RDX have been disposed of in the past by dumping in deep sea water. By‐products of military explosives such as RDX have also been openly burned in many Army ammunition plants in the past. There  are  indications  that  in  recent  years  as much  as  80%  of waste munitions  and propellants have been disposed of by incineration. 

RDX  in  the  wastewater  from  manufacturing  and  loading  operations  has  also contaminated the environment. 

HMX  is currently produced at only one  facility  in  the United States,  the Holston Army Ammunition Plant  in Kingsport, Tennessee. The amount of HMX made and used  in the United States at present  is not known, but  it  is believed  to be greater  than 30 million pounds [15,000 tons] per year between 1969 and 1971. 

Wastes  from explosive manufacturing processes are classified as hazardous wastes by EPA.  Generators  of  these  wastes  must  conform  to  EPA  regulations  for  treatment, storage, and disposal. The waste water treatment sludges from processing of explosives are listed as hazardous wastes by EPA based only on reactivity. Although its solubility in 

3 

water  is  very  low,  HMX  can  be  present  in  particulate  form  in  water  effluent  from manufacturing, munitions and propellant manufacture, and destruction of old, unused, munitions  or missiles.  Studies  in  rats, mice,  and  rabbits  indicate  that  HMX may  be harmful to the liver and central nervous system if it is swallowed or contacts the skin. 

HMX,  TNT  and  RDX  are  often  found  in  the  soil,  groundwater,  and  surface waters  at facilities where they are manufactured as the result of negligent waste stream disposal methods.   The  toxicity of  these compounds and  their degradation products has  led  to concern  about  their  fate  in  the  environment  and  the  potential  for  human  exposure.  HMX and RDX do not easily break down in the environment, and hence can cause long‐term problems. 

SPS and Green Chemistry in Product Design and Manufacture

Green Chemistry 

Green  chemistry  is  a  chemical  philosophy  encouraging  the  design  of  products  and processes  that  reduce  or  eliminate  the  use  and  generation  of  hazardous  substances. Whereas environmental chemistry  is the chemistry of the natural environment, and of pollutant chemicals in nature, green chemistry seeks to reduce and prevent pollution at its source. In 1990 the Pollution Prevention Act was passed in the United States. This act helped create a modus operandi for dealing with pollution in an original and innovative way. 

As  a  chemical  philosophy,  green  chemistry  derives  from  organic  chemistry,  inorganic chemistry,  biochemistry,  analytical  chemistry,  even  physical  chemistry.  However,  the philosophy of green chemistry tends to focus on industrial applications. The focus is on minimizing the hazard and maximizing the efficiency of any chemical choice. It is distinct from  environmental  chemistry  which  focuses  on  chemical  phenomena  in  the environment. 

In  2005  Ryoji  Noyori  identified  three  key  developments  in  green  chemistry:  use  of supercritical  carbon  dioxide  as  green  solvent,  aqueous  hydrogen  peroxide  for  clean oxidations and the use of hydrogen in asymmetric synthesis. Examples of applied green chemistry are supercritical water oxidation, on water reactions and dry media reactions. 

Principles of Green Chemistry 

Paul Anastas,  then of  the  EPA,  and  John C. Warner developed 12 principles of  green chemistry, which help  to explain what  the definition means  in practice. The principles cover such concepts as: 

4 

• the design of processes to maximize the amount of raw material that ends up in the product; 

• the use of safe, environment‐benign solvents where possible; • the design of energy efficient processes; • the best form of waste disposal, aiming not to create it in the first place. 

The 12 principles are: 

1. Prevent waste: Design chemical syntheses to prevent waste, leaving no waste to treat or clean up. 

2. Design  safer  chemicals  and  products:  Design  chemical  products  to  be  fully effective, yet have little or no toxicity. 

3. Design less hazardous chemical syntheses: Design syntheses to use and generate substances with little or no toxicity to humans and the environment. 

4. Use  renewable  feedstock: Use  raw materials and  feedstock  that are  renewable rather  than  depleting.  Renewable  feedstock  are  often made  from  agricultural products  or  are  the wastes  of  other  processes;  depleting  feedstock  are made from fossil fuels (petroleum, natural gas, or coal) or are mined. 

5. Use  catalysts,  not  stoichiometric  reagents: Minimize  waste  by  using  catalytic reactions. Catalysts are used in small amounts and can carry out a single reaction many  times. They are preferable  to  stoichiometric  reagents, which are used  in excess and work only once. 

6. Avoid  chemical  derivatives:  Avoid  using  blocking  or  protecting  groups  or  any temporary  modifications  if  possible.  Derivatives  use  additional  reagents  and generate waste. 

7. Maximize atom economy: Design syntheses so that the final product contains the maximum  proportion  of  the  starting materials.  There  should  be  few,  if  any, wasted atoms. 

8. Use  safer  solvents  and  reaction  conditions:  Avoid  using  solvents,  separation agents,  or  other  auxiliary  chemicals.  If  these  chemicals  are  necessary,  use innocuous chemicals. If a solvent is necessary, water is a good medium as well as certain  eco‐friendly  solvents  that  do  not  contribute  to  smog  formation  or destroy the ozone. 

9. Increase energy efficiency: Run chemical reactions at ambient temperature and pressure whenever possible. 

10. Design chemicals and products to degrade after use: Design chemical products to break down to innocuous substances after use so that they do not accumulate in the environment. 

11. Analyze in real time to prevent pollution: Include in‐process real‐time monitoring and  control  during  syntheses  to  minimize  or  eliminate  the  formation  of byproducts. 

12. Minimize  the  potential  for  accidents: Design  chemicals  and  their  forms  (solid, liquid,  or  gas)  to  minimize  the  potential  for  chemical  accidents  including explosions, fires, and releases to the environment. 

5 

SPS Green Propellants 

SPS Green Manufacturing Processes

Current rocket propellants use a chemical called Ammonium Perchlorate (AP). These are the highest energy propellants that are the most stable, so are relatively safe to use (not produce). When these rocket propellants are used, they produce clouds of hydrochloric acid, which are considered a serious pollutant. The industry has been working on a way to use other new  chemicals  (HZN, ADN, CL‐20, AN)  as  replacements  for  the AP  since when these chemicals are used they are non‐polluting (green). Serious problems exist, however,  in  both  processing  these new  fuels  using  conventional methods  and  in  the performance of these propellants when used, so none are currently available. 

 The SPS MFC™ can  readily process  these new chemicals  into  rocket  fuels (we already demonstrated  this  with  AN  (Ammonium  Nitrate)  at  our  University  of  South  Florida program).  In  the MFC™,  these  chemicals  are processed  into  a  suitable  form  to  safely make rocket propellants (first we make spherical particles of these chemicals and then encapsulate them in a highly stable plastic fuel, this forms the core of the MFC™). These MFC™ particles are even easier to process  into rocket propellants (as shown by NAWC China  Lake  during  production  of  test  samples)  than  even  current  chemicals  used in rocket propellants. Other chemicals can also be  included  in the MFC™  in a safe way to make  the  final  rocket  propellants  even  safer  and  perform  better  (tailoring their performance).  The  MFC™  is  a  protected  environment  that  can  contain  highly volatile chemicals that will only be mixed and reacted during the launch of the rocket. 

 The MFC™  is unique  in  that nearly ANY  combination of  chemicals  can be made  into rocket propellants. All these rocket propellants can be processed easily into final rocket engines  in  the  same way,  no matter what  chemicals  are  used,  and  the  performance (how  fast  it  burns  and  how much  push  is  produced)  can  be  tailored  chemically  by modifying the properties of the MFC™ particle used to make the propellant. Therefore, Super  Propellants, high  power  Green  propellants, and  conventional  AP  propellants currently in use can all be processed in safety and with ease, all exactly in the same way, and made into rocket propellants for use in today's rockets and new future rockets. 

Manufacturing based on Supercritical Fluids

In  the  last  ten  years  and  so,  there  has  been  influx  of  new  supercritical  fluid  aided material  processing  techniques  for  encapsulation,  nucleation  of  particles/powders, impregnation of porous matrices, formation of porous materials, coating/spraying of flat surfaces,  extrusion,  comminution  (solids  grinding),  and  drying.  The  technical  and economic drivers  for using supercritical  techniques are many. These processes usually employ  a  single  material‐processing  step.  The  solvating  power  and  selectivity  are tunable, enabling ease in separation of a particular component from a multi‐component mixture and complete solvent recovery with residue  levels well below FDA thresholds. 

6 

The gas  like mobility of supercritical  fluids allow very  fast processing  times,  increasing throughput  for  a  given  equipment  size.  The  low  surface  tension  in  the  processing environment  allows  smooth  coating  and  drying  of  surfaces.  The  popular  supercritical solvent  carbon  dioxide  is  readily  available,  inexpensive,  non‐toxic,  allow  near  room temperature processing. The carbon dioxide based environment is favorable for particle coating since no chemical interaction between the coating and the substrate may occur. There  are  several  reasons  why  processing  with  supercritical  fluids  are  attractive throughout the world. It is not only because they are green processes and are effective on‐site processing of natural  resources. The  interest  is primarily due  to  controllability and  tunability  of  the  processing  environment  to  enable  robust  synthesis  of  products with unique characteristics. There  is a portfolio of supercritical techniques that can be used for supercritical fluid aided encapsulated nanoparticles. 

The  supercritical  technology  permits  engineering  of  flexible  plants  that  can  employ different  variations  and  can  be  tailored  for  different  product  slates;  is  scalable  and tunable. Although  the  capital  costs  per  equipment  is  about  four  times  higher  due  to pressure, overall  capital  investment  is usually  still  less  since  the production  time  and number of units  (processing steps/equipment)  is reduced,. Operating costs are usually less  due  to  the  inexpensive  carbon  dioxide  environment  and  high  recovery  rates. However,  the primary motivation  for using supercritical  fluids  is  their ability  to enable products/specifications that can not be achieved by any other scalable technology, e.g. polymeric thin films with uniform pore characteristics (pinhole free to highly porous) on flat surfaces or particles. 

Prevention of Accidental Releases during Manufacture

An  important area  for  safety  in process  control  that are directly addressed by neural network control systems is the direct measurement of variables key to performance and to  safety  in  operation  that  are  either  too  expensive  to measure  accurately,  or  even impossible to measure fast enough for closed‐loop control, 

The  aim  of  these  systems  is  to  compare  actual  process  operation  with  nominal operation  given  the  current  control  actions.    Any  deviation  is  indicative  of  process malfunction, which can trigger a diagnostic search for the most likely fault, in real‐time.  The benefit here is in rapid earlier warning of incipient faults, as well as the potential for providing  the  control  system with  a  prioritized  list  of  possible  hazards.    The  control system can  then  take steps  to mitigate  these potential hazards before  they become a serious  problem.  The  difference  between  using  neural  networks  rather  than  purely knowledge‐based  systems  for  this  application  lies  in  the  ability  to  integrate  complex signals  at  a  low  level,  yielding  more  complex  response  than  may  be  possible  by representing the activity of individual sensors directly in symbolic form to an operator at a control panel. 

Novelty detection  is a primary  feature of neural‐network  logic based control  systems. The completeness of the artificial intelligence process model, since it is difficult to argue 

7 

that  any  conventional  (Non‐AI or heuristic)  formal model  is  formally  complete, when dealing with real‐world data,  is found  in the AI’s ability to  identify, analyze and control potentially hazardous process variances that have never been previously observed.    In this respect, at least with statistical tests the completeness of the model can be assured for the design data, and the novelty of future data can be tested with reference to those same  design  data,  resulting  in  a  well‐posed  problem  amenable  to  theoretically satisfactory solutions. 

Additional important factors in using neural‐net based control systems (AI) for operation of  the  MFC™  propellant  manufacturing  process  is  in  both  process  economics  and assurance of adhering to the principals of Green Chemistry in manufacturing. The close reaction  control  afforded  by  this  control  technology  permits  operation  of  the manufacturing system at maximal efficiency,  increasing product yields,  improving both product  reproducibility  and  conformity  to  specifications,  and  reducing  the  need  for waste recycling. 

SPS  is  fully  aware of  two  the potential problems  in  the use of AI  systems  in process management and control: 

1. Over‐reliance,  where  even  specialist  users  become  complacent  about  the accuracy of the advisory/control system, reducing their critical awareness of the processes inherent limitations; and, 

2. When non‐specialist users rely on the system’s performance to act beyond their normal scope of competence. 

SPS will  only  use  highly  skilled  personnel  trained  in  the  oversight  of  the  propellant manufacturing  control  system,  with  the  ability  to  appropriately  intervene  in  the manufacturing  process, when  necessary  and  as  needed.  They will  act  in  an  auxiliary capacity to the AI system, verifying appropriate measures for process control are being taken  by  the  AI  control  system  to mitigate  potential  hazards.    A  benefit  for  process control to SPS and manufacturing technicians are the short durations of the propellant manufacturing runs, where required attention spans of personnel should not pose any problems. 

When  combining  explicit  linear  models,  neural  network  AI  process  control  systems provide  a  process  control  framework  that  demonstrates  stability  and  constantly evaluates  stability  margins,  which  is  lacking  in  widely  used  conventional  (heuristic) approaches to non‐linear process control. 

Propellant and Ordnance Safety and Hazards Analysis – Insensitive Propellants and Ordnance

(Excerpts  taken  from:  Sunol,  et.  al.;  Safety  and  Hazard  Evaluation  for MFC  Propellant  Particle  and Propellants Grains; University of South Florida, August, 2005 for Space Propulsion Systems, Inc.) 

8 

The work  performed  by  the  University  of  South  Florida  has  clear  demonstrated  the significant  potential  of  SPS  to  develop  truly  insensitive  propellants  and  ordnance products based upon  the unique  structure of  the MFC™  and MFC™ products derived therefrom,  in  comparison  to  current  solid  propellants.  This  New  Generation  SPS technology provides  a unique opportunity  to  combine  key  fundamental  experimental data,  such  as  reaction  rates  and  thermophysical  as well  as  transport  properties with well‐accepted mathematical models  to  analyze  both  the  safety  and  performance  of MFC™s. The goals of this report are therefore two‐fold: 

• Evaluate  the  likelihood of potential hazards, particularly  internal  to  the MFC™ and  study  their  impact on  the MFC™ particle,  local  vicinity,  and  the 55  gallon storage drum. Mass and energy balances along with simple transport models are used to quantify and analyze the safety issues. 

• Articulate the experimental and theoretical studies that are applicable for safety and design/performance related issues 

The inherent structure of the MFC™ based technology provides an avenue to accurately predict  performance when  combined with  key  experimental  data  and mathematical models of MFC™s and MFC™ propellant grains. 

Summary

The  key  observations  based  on  approximate models  and  impact  analysis  on  control volumes  of  interest,  in  the MFC™  particle,  local  vicinity,  and  fifty‐five  gallon  storage drum and related recommendations are as follows: 

• The  reaction  happens  to  be  at  the  fuel/oxidizer  interface  and  whether  it continues or ceases depends on competition between the relative rates of heat generation through reaction and heat dissipation through conduction within the MFC™. The analysis further demonstrates that unless there is irradiation from an external source  (a source at propellant  ignition  temperature),  like  in most self‐propagating reaction issues, you are not likely to have a safety problem. 

• Sensitivity  analysis  was  used  to  demonstrate  that  for  a  single MFC™,  as  the extent of reaction increases, the temperature and off‐gas generation increase. If the  extent  of  reactions  is  high  and  the  reaction  rates  are  faster  the  diffusion rates, the integrity of a single MFC™ would be destroyed. Energy balances shows that,  even  for  a  complete MFC™  reaction  and with  no  thermal  diffusion,  the temperatures within  adjacent MFC™s  are  no more  than  120  °C, which  is well within  inner  barrier  encapsulant  performance  thresholds  for  non‐defective MFC™s.  In  terms  of  gas  liberation  and  temperature,  the  effect  of  a  complete MFC reaction in a storage drum or cast within a propellant grain is negligible. 

9 

o Simple mass balance  and density  calculations  show  that  the  volume of gases  evolved  are within  the  gas  sorption  tolerances  of  the  polymeric binders and encapsulant within the neighborhood of the reacting MFC™.  

o The  heat  dissipation  issue  warrants  not  only  energy  balances,  but  an analysis of heat transfer rate through the single MFC™ as well. Based on calculations,  the  rate  of  heat  dissipation  is much  higher  than  reaction rates  possible  under  those  temperatures.  Thermal  diffusion  values  for MFC™s are high. Therefore, unless the reaction is very fast, less than one second for complete MFC™ reaction, the rate of heat dissipation exceeds the heat generation rate and the temperatures of adjacent MFC™ will be much less than the 120 °C calculated from the applicable energy balance of the MFC™ in its’ vicinity. 

• As expected  for  the MFC™  fuel/oxidizer  geometry,  there  is not much  reaction until you get to very high temperatures (in the range of ignition temperatures for the propellant), after which the reaction proceeds vigorously to completion. This conforms  well  to  known  aging  properties  of  explosive  and  propellant compositions. 

• From the heat evolved and the thermal diffusion analysis,  it  is estimated that a thousand  or  more  MFC™s  randomly  distributed  throughout  the  storage  or propellant mass and reacting simultaneously at maximum possible rate would be required before  instability of a mass of MFC™s  in either 55‐gal drum storage or cast propellant grain would pose a stability issue. 

• It must be noted that  if oxidizer/fuel reactions  in barrier deficient MFC™s go to completion very  rapidly  (in  less  than  the 1  second  required  to exceed  thermal diffusion capacity) at or under maximum aging conditions (160 °F (71 °C) and 1 atm), than those reactions would occur DURING the MFC manufacturing process (temperatures  to  75  °C  and  pressure  above  1000  psi  and  times  around  15 minutes). Therefore,  the survival of barrier deficient MFC™s with high  reaction rates  is  not  possible.  It  should  further  be  noted  that  if  the  barrier  deficient MFC™s do react during processing due to defective or missing  internal barriers, the  excellent  heat  dissipation  environments  of  fluidized  beds,  plus  the  relief system, will address any issues relating to manufacturing safety. In other words, the  processing  environment  will  eliminate  MFC™s  that  may  cause  the  most severe stability  issues  in storage or cast propellant grains calculated for MFC™s in this analysis. 

The  clear  conclusion  from  the  analytical work  performed  and  reported  here  is  that safety in storage and/or handling of MFC™ based propellant grains is at least as good, if not better,  than  those of  conventional propellant  grains made using  significantly  less energetic  materials.  Recommendations  for  potential  hazard  abatement  and  future modeling directions: 

10 

• If  you  have  irradiation  from  an  external  source,  the  MFC™  integrity  will  be destroyed  and  you  need  to  worry  about  the  binder  design.  There  are  high temperature  resistant binders, high  thermal conducting polymers...etc  to work with  resolution  in  that  direction,  which  in  MFC™  propellant  grain  design geometries  can be used  to  transport  thermal  energy  away  from potential hot spots. In the MFC™, you have quite a few choices in selection of material. Based on a Fourier law analysis, combined with possible solid conductivities (you need data for it as well and we used model compound data), you are not likely to have a problem. 

• A  set  of  refined  distributed models  for  solid‐gas  spherical  systems  based  on mathematical  analysis  currently  developed.  These  models  can  be  further adapted  for  MFC™s  with  proper  choice  of  boundary  conditions  and,  when combined  with  experimental  data,  will  provide  closed  form  solutions  for simultaneous heat mass  transfer with  reaction. These closed  form solution will enable  approximate  but  reliable models  for  optimization  of MFC™s  for  both safety  in  manufacturing,  storage  and  handling,  as  well  as  the  performance modeling of MFC™ propellants and ordnance products.   

11