Laboratoriumschaal Slow Cook-Off Testing van raketstuwstoffen: de verbrandingssnelheidsanalyse van een langzaam verwarmde drijfgastest (CRASH-P)
6 februari 2021
We presenteren een protocol voor een slow cook-off test op laboratoriumschaal voor vaste raketstuwstoffen, de Combustion Rate Analysis of a Slowly Heated Propellant (CRASH-P) test. Beperkte raketstuurmiddelen worden langzaam verwarmd tot autoignition, en zowel de kooktemperatuur als het reactiegeweld worden gemeten met dynamische druksensoren.
De CRASH-P-test kan worden gebruikt om het langzame cook-off reactiegeweld van raketst voortstuwingsgassen op een veel kleinere schaal te evalueren dan de huidige testmethoden. De test is een goedkopere en snellere methode om raketstoverstulgers te screenen op hun langzame cook-off geweld dan de huidige full-scale tests. Het is moeilijk om volledige langzame cook-off tests uit te voeren in de vroege stadia van raketstuwstofontwikkeling.
De CRASH-P-test kan veel van deze kritieke informatie al vroeg in het formuleringsproces leveren. De test is snel en goedkoop genoeg dat veel van de onderliggende vragen met betrekking tot chemische kinetiek van raketstuwstofingrediënten tijdens slow cook-off in meer detail dan ooit tevoren kunnen worden onderzocht. De CRASH-P-test vereist ervaring in thermische vloeistofinstrumentatie en het instellen van gegevensverwerving met hoge snelheid voor temperatuur- en drukmetingen.
Een visuele demonstratie van deze methode kan nuttig zijn, omdat het opzetten van de diagnostische apparatuur en het plaatsen van het monster moeilijk kan zijn met alleen schriftelijke instructies. Scott Sumner, een onderzoeksingenieur van ons laboratorium, demonstreert de procedure met Christopher Gray. Voor installatie in het drijfgasmonster schroeft u het deksel van de monsterhouder vast aan de CRASH-P-monsterhouder om het monster af te dichten en schroeft u het verzegelde monster vervolgens vast aan de stalen plank die aan de kamerdop van de CRASH-P-test is bevestigd om het monster in het midden van de kamer te houden.
Plaats een van de thermische paren van de elektrische doorvoeren in de monsterhouder van het drijfgas om eventuele exotherme reacties vast te leggen. Plaats nog een Thermo-koppel op de stalen plank gericht om de luchttemperatuur in de CRASH-P-kamer op te nemen. Plaats een kleine hoeveelheid RTV waar het thermische paar de monsterhouder van het drijfgas binnenkomt om de opening af te dichten.
Zodra het monster is vastgezet, schuift u de kamerdop in het lichaam van de kamer. Gebruik een cilindrische staaf om de borgkop volledig te rijgen en vast te draaien op de kamer en gebruik een steek van negen draden per inch stelschroeven zeskantbout om de schroeven met een diameter van 7/8 inch in de kamerkop te installeren. Draai de bouten vast om ervoor te zorgen dat de kamer gelijkmatig is vastgezet en gebruik een momentsleutel om een uniforme afdichting te garanderen.
Installeer de kamerhouderklemmen en houd de klemmen op hun plaats met deuvelpennen. Om de eindplaat van de kamer te installeren, schroeft u de plaat vast aan de testtafel om axiale beweging van de CRASH-P-test tijdens een ontstekingsgebeurtenis te voorkomen. Sluit vervolgens de coaxkabels van de dynamische druksensor aan op de dynamische druksensoren voordat u de elektrische bandverwarmingen aansluit op de stopcontacten die op de temperatuurregelaars zijn aangesloten.
Schakel het temperatuurregelaarpaneel en de temperatuurregelaar in. Blader door de menu's om ervoor te zorgen dat alles in de standaardinstelling staat. Zorg ervoor dat de inlaat- en uitlaatdraden zijn aangesloten op de dynamische druksignaalconditioner en schakel de conditioner in.
Stel de temperatuurwaarden op de temperatuurregelaar zo nodig in voor de 16 tijdsintervallen met behulp van de eerste drie intervallen om een helling en weekperiode op 50 graden Celsius gedurende twee uur in te stellen. Voer de resterende intervallen in om de gegevenspunten voor de test te leveren om een lineair verwarmingsprofiel te verkrijgen dat tijdens de test niet van helling verandert en stel de uiteindelijke temperatuur in op 350 graden Celsius. Schakel de elektrische stroom in op de kachels op de bedieningsconsole en schakel de temperatuurregelaar in om de test op afstand uit te voeren.
Stel op de bedieningspagina van de temperatuurregelaar de RSEN in. Druk vervolgens op de hulpknop om de testtoestand van stand-by te veranderen om te starten met het verwarmen van de kamer. Stel voor gegevensverwerving in de software voor gegevensverwervingssysteem één testgegevensverzamelingsgebied in om de druk door het moederbord te meten dat de dynamische druk meet en een andere om de temperatuur door de thermische koppelversterker te meten.
Stel het systeem in op een geactiveerd suitemechanisme, zodat na het bereiken van een drempelspanning de drukbemonsteringsfrequentie verandert van één monster per seconde naar 50.000 monsters per seconde. Aangezien de gegevensverzameling niet vanzelf stopt, controleert u de test regelmatig op temperatuuruitdrijving of geactiveerde drukreacties. Als een van beide reacties wordt waargenomen, stopt u de opname handmatig en schakelt u de stroom van de verwarming, video en temperatuurregelaar uit.
Aan het einde van het experiment exporteert u handmatig de temperatuur- en drukgegevens naar afzonderlijke door tabs gescheiden tekstbestanden naar een geschikte computer voor hun downstreamanalyse. Laat de testkamer ten minste 12 uur afkoelen voordat u de testkamer ontlucht. De kamer is zorgvuldig gedemonteerd om eventuele productgassen vrij te maken van de exotherme reactie.
Leg eventuele monstercontainerfragmenten van de monsterhouder vast voordat u de kamer reinigt Hier kunnen temperatuursporen voor de binnenkamerlucht en interne drijfgastemperatuur die door het gegevensverwervingssysteem zijn verkregen, worden waargenomen. Kleine exotherme reacties vóór de ontsteking werden gemeten, samen met de belangrijkste exotherme reactie. Dynamische drukmetingen voor de reactie worden meestal geregistreerd voor de dynamische manometers voor, achter en achter.
Zoals de meeste cook-off-gebeurtenissen in het laboratorium, kan de toestand van de monstercontainer worden beoordeeld op schade na de reactie. Er wordt vaak een vrij grote mate van gemeten variatie in het reactiegeweld van verschillende drijfgasmonsters waargenomen, waardoor het geweld kan worden gekwantificeerd en vergeleken voor de verschillende reacties. Over het algemeen vertonen snellere drukreacties meer spreiding of ruis in de drukgegevens, wat consistent is met de grotere oscillatie van de kamer als gevolg van een meer gewelddadige reactie.
Zorg ervoor dat u de thermokoppels elke keer op dezelfde plaats plaatst voor een soepel en consistent verwarmingsprofiel. Zorg er ook voor dat u de druksensoroppervlakken reinigt om het geluid in de metingen van het reactiegeweld te verminderen. Inspecteer na de analyse het drijfgasresidu en de monstercontainer op het uiteindelijke chemische product en controleer de mate van schade aan de monstercontainer door de langzame afkookreactie.
Tot slot, vergeet niet dat bepaalde raket drijfgas ingrediënten kunnen reageren veel anders dan verwacht, terwijl het wordt verwarmd onder beperkte omstandigheden. Bedankt voor het kijken.
Overzicht
De CRASH-P test is een protocol op laboratoriumschaal dat is ontworpen om de intensiteit van de trage cook-off reactie van vaste raketbrandstoffen te evalueren. Deze methode maakt een efficiëntere en kosteneffectievere screening van brandstoffen mogelijk in vergelijking met traditionele tests op volledige schaal.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Testen van raketbrandstoffen
- Verbrandingsanalyse
- Thermische vloeistofinstrumentatie
Achtergrond
- Volledige slow cook-off tests zijn uitdagend en kostbaar.
- De CRASH-P test levert cruciale gegevens in een vroeg stadium van de drijmiddelontwikkeling.
- Het maakt een gedetailleerde verkenning van de chemische kinetiek in drijmiddelingrediënten mogelijk.
- Ervaring met thermische vloeistofinstrumentatie is vereist voor de opstelling.
Doel van de studie
- Om de reactiegevoeligheid van raketbrandstoffen kwantitatief te beoordelen.
- Om een sneller en goedkoper alternatief te bieden voor tests op volledige schaal.
- Om formulatieprocessen in een vroeg stadium voor raketbrandstoffen te faciliteren.
Gebruikte methoden
- Installatie van thermokoppels en dynamische druksensoren in de testkamer.
- Gecontroleerde verhitting van drijfgastestmonsters om auto-ontbrandingstemperaturen te meten.
- Gegevensverwerving van temperatuur en druk tijdens de test.
- Analyse na het experiment van temperatuurprofielen en reactieintensiteit.
Belangrijkste resultaten
- Er werd variatie waargenomen in de heftigheid van de reactie tussen verschillende drijfmiddelmonsters.
- Snelle overdrukreacties vertoonden meer ruis in de drukgegevens.
- Voorafgaand aan de ontsteking werden geringe exotherme reacties geregistreerd.
- De schadebeoordeling van de monsterhouders na de reactie gaf inzicht in het gedrag van het drijfmiddel.
Conclusies
- De CRASH-P-test is een levensvatbare methode voor het screenen van raketbrandstoffen.
- Het maakt gedetailleerd onderzoek naar de chemie en kinetiek van brandstoffen mogelijk.
- Standaardisatie van de plaatsing van de thermokoppels is cruciaal voor consistente resultaten.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
De CRASH-P test maakt een evaluatie in een vroeg stadium mogelijk van de veiligheid van vaste raketbrandstoffen onder langzame verhitting, waardoor cruciale gegevens over de heftigheid van de reactie worden verkregen voordat grootschalige tests worden uitgevoerd. Deze methode op laboratoriumschaal ondersteunt de risicobeoordeling bij de ontwikkeling van voortstuwing door de kinetiek van de drukstijging en het potentieel voor thermische runaway te kwantificeren. Het biedt een kosteneffectief screeninginstrument voor beslissingen over de formulering van brandstoffen in R&D-pijplijnen voor defensie en lucht- en ruimtevaart.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om hypothesen over thermische stabiliteit van energetische materialen onder begrensde verhitting te onderzoeken.
- Operationele waarde: Levert kwantitatieve druk-tijdmetrieken om de selectie van brandstofcomponenten vroeg in de ontwikkeling te ontrisken.
Screening & assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Levert reproduceerbare metingen van reactieviolentie via de tijd tot het bereiken van 90% van de maximale druk, analoog aan eindpunten van drukgolfoverdruk.
- Operationele waarde: Ondersteunt high-throughput screening van drijfgasmengsels met behulp van gestandaardiseerde monsterhouders en insluitingsverhoudingen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Correleert drukdynamiek op laboratoriumschaal met het potentieel van explosies op volledige schaal, wat voorspellende modellering van de prestaties van drijfmiddelen mogelijk maakt.
- Operationele waarde: Faciliteert go/no-go beslissingen op basis van drempelwaarden voor reactieviolentie voordat er wordt opgeschaald naar tests op motorniveau.
Integratie van Pipeline & Workflow
De CRASH-P test past binnen het continuüm van drijmiddelontwikkeling, van de screening van ingrediënten tot de optimalisatie van de formulering, en biedt een vroege beoordeling van de gewelddadigheid die dient als basis voor verdere opschaling en veiligheidsvalidatie.
- Discovery Biology: Ondersteunt het mechanistische begrip van exotherme ontledingspaden in drijfgasmatrices onder thermische stress.
- Screening: Maakt gestandaardiseerde, kwantitatieve vergelijking van reactiehevigheid tussen drijfgaskandidaten mogelijk middels drukstijgingskinetiek.
- Analytics: Genereert datasets van temperatuur en druk met hoge resolutie om auto-ontsteking en runaway-reactieprofielen te karakteriseren.
- Translationeel onderzoek: Slaat een brug tussen thermische responsgegevens op laboratoriumschaal en risicovoorspelling op volledige schaal via gecorreleerde druk- en temperatuursignaturen.
- Enterprise Reuse: Vestigt een herbruikbaar platform voor drijfgasscreening over meerdere ontwikkelingsprogramma's en ingrediëntvarianten.
Operationele impact en impact op de organisatie
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanistische ambiguïteit in het thermische ontledingsgedrag door de chemie van de ingrediënten te koppelen aan de waargenomen reactiehevigheid.
- Operationele waarde: Garandeert reproduceerbaarheid door gestandaardiseerde plaatsing van thermokoppels, opsluitingsgeometrie en gecontroleerde verwarmingsprofielen.
- Strategische waarde: Verbetert de kapitaalefficiëntie door vroege identificatie van risicovolle formuleringen mogelijk te maken vóór kostbare tests op volledige schaal.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde besluitvorming over verdere ontwikkeling door de hevigheid bij langzame cook-off te kwantificeren als een belangrijke veiligheidsparameter bij de selectie van drijfmiddelen.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in thermische vloeistofinstrumentatie en snelle gegevensverwerving voor temperatuur- en drukmonitoring.
- Vereist dynamische druksensoren, thermokoppels, bandverwarmers en een temperatuurregelaar die in staat is tot ramp-soak-profielen tot 350°C.
- Vereist cross-team standaardisatie van monstervoorbereiding, sensorplaatsing en kamerassemblage om de vergelijkbaarheid van gegevens te waarborgen.
- Omvat aanpassingsbeoordelingen voor verschillende drijfgasgeometrieën en insluitingsverhoudingen, terwijl equivalente volume-tot-totaalvolumeverhoudingen worden behouden.
- Omvat praktische beperkingen zoals de noodzaak van koeling na de test (12+ uur) en zorgvuldige demontage om reactieproducten op te vangen en vessel-schade te beoordelen.
