בדיקת בישול איטית בקנה מידה של דלקים רקטיים: ניתוח קצב הבעירה של בדיקת דלק מחוממת לאט (CRASH-P)
6 בפברואר 2021
אנו מציגים פרוטוקול לבדיקת בישול איטית בקנה מידה מעבדה עבור דלקים רקטיים מוצקים הנקרא ניתוח קצב הבעירה של מבחן דלק מחומם לאט (CRASH-P). דלקי רקטות מוגבלים מחוממים לאט עד להצתה אוטומטית, וגם טמפרטורת הבישול וגם האלימות של התגובה נמדדים בחיישני לחץ דינמיים.
ניתן להשתמש בבדיקת CRASH-P כדי להעריך באופן כמותי את האלימות האיטית של תגובת הבישול של דלקי רקטות בקנה מידה קטן בהרבה משיטות הבדיקה הנוכחיות. המבחן הוא שיטה פחות יקרה ומהירה יותר לסינון דלקי רקטות לאלימות הבישול האיטית שלהם מאשר בדיקות בקנה מידה מלא הנוכחי. קשה לערוך בדיקות בישול איטיות בקנה מידה מלא בשלבים המוקדמים של פיתוח דלק הרקטות.
בדיקת CRASH-P יכולה לספק חלק גדול מהמידע הקריטי הזה בשלב מוקדם של תהליך הניסוח. הבדיקה מהירה וזולה מספיק, כי רבים מהשאלות הבסיסיות הכרוכות בקינטיקה כימית של מרכיבי דלק טילים במהלך תחרות בישול איטית ניתן לחקור בפירוט רב יותר מאי פעם. בדיקת CRASH-P דורשת ניסיון במכשור נוזל תרמי, כמו גם הגדרת רכישת נתונים במהירות גבוהה למדידות טמפרטורה ולחץ.
הדגמה חזותית של שיטה זו יכולה להיות מועילה, כמו הגדרת ציוד האבחון ואת המיקום של המדגם יכול להיות קשה עם הוראה בכתב בלבד. מדגים את ההליך עם כריסטופר גריי הוא סקוט סאמנר, מהנדס מחקר מהמעבדה שלנו. להתקנה בדגימת המדחף, בורג כיסוי מחזיק המדגם למחזיק מדגם CRASH-P כדי לאטום את המדגם, ולאחר מכן בורג הדגימה האטומה אל קרש הפלדה המחובר למכסה התא של מבחן CRASH-P כדי לשמור על המדגם באמצע התא.
הנח את אחד הזוגות התרמיים מההזנה החשמלית דרך מחזיק דגימת הדלק כדי ללכוד כל תגובות אקסותרמיות. הנח זוג תרמו אחר על קרש הפלדה הצביע כדי לתעד את טמפרטורת האוויר בתוך תא CRASH-P. מניחים כמות קטנה של RTV שבו הזוג התרמי נכנס למחזיק דגימת דלק כדי לאטום את ה פתח.
לאחר הדגימה כבר מאובטח, להחליק את מכסה התא לתוך הגוף של התא. השתמש מוט גלילי כדי להשחיל לחלוטין ולהדק את ראש התמך על התא ולהשתמש המגרש של תשעה חוטים לכל אינץ 'להגדיר ברגים מכושל להתקין את ברגים בקוטר 7/8 אינץ 'לתוך ראש התא. הדקו את הברגים כדי להבטיח שהתא מאובטח באופן שווה והשתמשו במפתח ברגים מומנט כדי להבטיח איטום אחיד.
התקן את מהדקי שכר הטרחה התא, מחזיק מלחציים במקום עם סיכות dowel. כדי להתקין את לוחית הקצה של התא, הברג את הצלחת לשולחן הבדיקות כדי למנוע תנועה צירית של בדיקת CRASH-P במהלך אירוע הצתה. לאחר מכן חבר את הכבלים הקואקסיאליים של חיישן הלחץ הדינמיים ליחישני הלחץ הדינמיים לפני חיבור תנורי החימום של הפס החשמלי לשקעי השקע המתחברים לבקרי הטמפרטורה.
הפעל את לוח הבקרה של הטמפרטורה ואת בקר הטמפרטורה. עבור בין התפריטים כדי לוודא שהכל נמצא בהגדרת ברירת המחדל שלו. ודא שחוטי הכניסה והשקע מחוברים למרכך אות הלחץ הדינמי והפעל את המזגן.
הגדר את ערכי הטמפרטורה על בקר הטמפרטורה לפי הצורך עבור מרווחי הזמן של 16 באמצעות שלושת המרווחים הראשונים כדי להגדיר רמפה ולספוג תקופה ב 50 מעלות צלזיוס במשך שעתיים. הזן את המרווחים הנותרים כדי לספק את נקודות הנתונים עבור הבדיקה כדי לקבל פרופיל חימום ליניארי שאינו משנה שיפוע במהלך הבדיקה ולהגדיר את הטמפרטורה הסופית ל 350 מעלות צלזיוס. הפעל את החשמל לתנורים בקונסולת הבקרה והפעל את בקר הטמפרטורה כדי להפעיל את הבדיקה מרחוק.
מדף הבקרה של בקר הטמפרטורה, הגדר את ה- RSEN. לאחר מכן לחץ על לחצן העזר כדי לשנות את מצב הבדיקה ממצב המתנה להפעלה כדי להתחיל לחמם את התא. לרכישת נתונים, בתוכנת מערכת רכישת הנתונים, הגדר אזור איסוף נתוני בדיקה אחד כדי לאפשר מדידת הלחץ על ידי הלוח הראשי המודד לחץ דינמי ואחר כדי לאפשר מדידה של הטמפרטורות על ידי מגבר הזוג התרמי.
הגדר את המערכת לפעול על מנגנון חבילה מופעלת כך שלאחר מתח סף הוא הגיע, קצב דגימת הלחץ משתנה מדגם אחד לשנייה ל 50, 000 דגימות לשנייה. מכיוון שרכישת נתונים אינה נעצרת מעצמה, בדוק מעת לעת את הבדיקה לתרומת טמפרטורה או מעורר תגובות לחץ. אם נצפתה תגובה אחת, הפסק את ההקלטה באופן ידני וכבה את כוחות החימום, הווידאו ובקר הטמפרטורה.
בסוף הניסוי, יצא באופן ידני את נתוני הטמפרטורה והלחץ לקבצי טקסט מופרדים באמצעות טאבים בודדים למחשב מתאים לניתוח במורד הזרם שלהם. אפשר לתא הבדיקה להתקרר לפחות 12 שעות לפני האוורור. התא מפורק בקפידה כדי לשחרר גזי מוצר מהתגובה האקסותרמית.
ללכוד כל שברי מיכל מדגם של מחזיק המדגם לפני ניקוי התא כאן, עקבות טמפרטורה עבור האוויר התא הפנימי וטמפרטורת דלק פנימית שנרכשה על ידי מערכת רכישת הנתונים ניתן לראות. תגובות אקסותרמיות קלות לפני ההצתה נמדדו, יחד עם התגובה האקסותרמית העיקרית. קריאות לחץ דינמיות עבור התגובה נרשמות בדרך כלל עבור מדי הלחץ הדינמיים הקדמיים, האחוריים והאחוריים.
כמו רוב אירועי בישול המעבדה, ניתן להעריך את מצב מיכל הדגימה לנזק לאחר התגובה. מידה רבה למדי של שונות מדודה באלימות התגובה של דגימות דלק שונות נצפתה בדרך כלל, ומאפשרת לכמת את האלימות ולהשוות לתגובות השונות. באופן כללי, תגובות לחץ מהירות יותר להפגין יותר פיזור או רעש בנתוני הלחץ, אשר עולה בקנה אחד עם תנודה גדולה יותר של התא עקב תגובה אלימה יותר.
הקפד למקם את התרמיות באותו מיקום בכל פעם לקבלת פרופיל חימום חלק ועקבי. כמו כן, הקפד לנקות את משטחי חיישן הלחץ כדי להפחית את הרעש במדידות אלימות התגובה. לאחר הניתוח, לבדוק את שאריות דלק מיכל מדגם עבור מוצר כימי סופי, ולבדוק את מידת הנזק למיכל המדגם מתגובת בישול איטית.
בנימה סופית, זכור כי מרכיבים מסוימים של דלק רקטות יכולים להגיב באופן שונה בהרבה מהצפוי תוך כדי חימום בתנאים מגבילים. תודה שצפיתם.
סקירה כללית
בדיקת ה-CRASH-P היא פרוטוקול בקנה מידה מעבדתי שנועד להעריך את עוצמת תגובת ה-slow cook-off של דלקים מוצקים לרקטות. שיטה זו מאפשרת סינון יעיל וכלכלי יותר של דלקים בהשוואה לבדיקות מסורתיות בקנה מידה מלא.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- בדיקת דלק רקטי
- ניתוח בעירה
- מכשור נוזלים תרמי
רקע
- בדיקות שריפה איטית (slow cook-off) בהיקף מלא הן מאתגרות ויקרות.
- בדיקת CRASH-P מספקת נתונים קריטיים בשלב מוקדם של פיתוח המיגש.
- היא מאפשרת חקירה מפורטת של קינטיקה כימית ברכיבי המיגש.
- הקמת המערכת דורשת ניסיון במכשור של זרימה תרמית.
מטרת המחקר
- להערכה כמותית של עוצמת התגובה של דלקים רOCKETיים.
- לספק חלופה מהירה וזולה יותר לבדיקות בקנה מידה מלא.
- להקל על תהליכי ניסוח בשלבים מוקדמים עבור דלקים רOCKETיים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- התקנת צמדי תרמו-זוגים וחיישני לחץ דינמי בתא הבדיקה.
- חימום מבוקר של דגימות דלק למדידת טמפרטורות הצתה עצמית.
- איסוף נתונים של טמפרטורה ולחץ במהלך הבדיקה.
- ניתוח לאחר הניסוי של עקומות הטמפרטורה ועוצמת התגובה.
תוצאות עיקריות
- נצפתה שונות בעוצמת התגובה בין דגימות דלק שונות.
- תגובות עם עליית לחץ מהירה יותר הראו רעש רב יותר בנתוני הלחץ.
- תגובות אקסותרמיות קלות נרשמו לפני ההצתה.
- הערכת נזקים של מיכלי הדגימות לאחר התגובה סיפקה תובנות לגבי התנהגות הדלק.
מסקנות
- בדיקת ה-CRASH-P היא שיטה יעילה לסריקת דלקים לרקטות.
- היא מאפשרת חקירה מפורטת של הכימיה והקינטיקה של הדלק.
- סטנדרטיזציה של מיקום הזוג התרמי (thermocouple) היא קריטית לקבלת תוצאות עקביות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית מרכזית
בדיקת ה-CRASH-P מאפשרת הערכה בשלב מוקדם של בטיחות דלק רקטי מוצק תחת תנאי חימום איטיים, ומספקת נתונים קריטיים על עוצמת התגובה לפני ביצוע בדיקות בקנה מידה מלא. שיטה זו, המבוצעת בקנה מידה מעבדתי, תומכת בהערכת סיכונים בפיתוח מערכות הנעה על ידי כימות קינטיקת עליית הלחץ והפוטנציאל לבריחה תרמית. היא מהווה כלי סינון חסכוני לקבלת החלטות לגבי הרכב הדלק בקווי המחקר והפיתוח של תחומי הביטחון והאווירונאוטיקה.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של השערות לגבי יציבות תרמית בחומרים אנרגטיים תחת חימום במרחב סגור.
- ערך תפעולי: מספק מדדי לחץ-זמן כמותיים להפחתת סיכונים בבחירת מרכיבי דלק בשלב מוקדם של הפיתוח.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מספק מדידות הדירות של עוצמת תגובה באמצעות זמן הגעה ל-90% מהלחץ המקסימלי, בדומה לנקודות קצה של לחץ יתר בפיצוץ.
- ערך תפעולי: תומך בסריקה בקיבולת גבוהה של פורמולציות דלק רקס באמצעות מחזיקי דגימות ו=('יחסי כליאה) סטנדרטיים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מקשר בין דינמיקת לחצים בקנה מידה מעבדתי לבין פוטנציאל פיצוץ בקנה מידה מלא, מה שמאפשר מידול חזוי של ביצועי חומרי הדחף.
- ערך תפעולי: מסייע בקבלת החלטות של "המשך/עצור" (go/no-go) בהתבסס על ספי הלמות התגובה לפני המעבר לבדיקות ברמת המנוע.
שילוב תהליכי עבודה ומסלולי עיבוד
בדיקת ה-CRASH-P משתלבת ברצף פיתוח המיריעים, החל מסריקת רכיבים ועד לאופטימיזציה של הפורמולציה, ומספקת הערכה מוקדמת של עוצמת הפיצוץ (violence assessment) המשמשת לתכנון שלבי הגדלת הכמות (scaling) ותיקוף הבטיחות בשלבים מאוחרים יותר.
- ביולוגיה של תגליות: תומך בהבנה מכניסטית של נתיבי פירוק אקסותרמיים במטריצות של חומרי דחף תחת מאמץ תרמי.
- סריקה: מאפשר השוואה כמותית וסטנדרטית של עוצמת התגובה בין מועמדים שונים לחומרי דחף באמצעות קינטיקה של עליית לחץ.
- אנליטיקה: מייצר מערכי נתונים ברזולוציה גבוהה של טמפרטורה ולחץ לאפיון פרופילי התלקחות עצמית ותגובות ש runaway.
- מחקר תרגומי: מקשר בין נתוני תגובה תרמית בקנה מידה מעבדתי לחיזוי סיכונים בקנה מידה מלא באמצעות חתימות לחץ וטמפרטורה מתואמות.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמה לשימוש חוזר לסריקת חומרי דחף במגוון תוכניות פיתוח ווריאנטים של רכיבים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית בהתנהגות פירוק תרמי על ידי קישור הכימיה של הרכיבים לעוצמת התגובה שנצפתה.
- ערך תפעולי: מבטיח הדירות באמצעות מיקום סטנדרטי של תרמוקופלים, גאומטריית כליל ופרופילי חימום מבוקרים.
- ערך אסטרטגי: משפר את יעילות ההון על ידי מתן אפשרות לזיהוי מוקדם של פורמולציות בסיכון גבוה לפני ביצוע בדיקות רחבות היקף ויקרות.
- השפעה על תיק הפיתוח: תומך בהחלטות קידום מותאמות סיכון על ידי כימות עוצמת התלקחות איטית (slow cook-off) כפרמטר בטיחות מרכזי בבחירת דלקים מוצקים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במכשור נוזלים תרמי ובאיסוף נתונים במהירות גבוהה לניטור טמפרטורה ולחץ.
- נדרשים חיישני לחץ דינמיים, תרמוקופלים, מחממי פס ובקר טמפרטורה המסוגל להפעיל פרופילי ramp-soak עד 350°C.
- דורש סטנדרטיזציה בין-צוותית של הכנת הדגימות, מיקום החיישנים והרכבת התא כדי להבטיח השוואתיות של הנתונים.
- כולל שיקולי התאמה עבור גיאומטריות שונות של חומרי דחף ויחסי כליאה, תוך שמירה על יחסי נפח-לנפח-כללי שוויים.
- כולל מגבלות מעשיות כגון הצורך בקירור לאחר הבדיקה (12+ שעות) ופירוק זהיר לצורך איסוף תוצרי התגובה והערכת הנזק לכלי.
