Badanie powolnego gotowania materiałów pędnych rakietowych w skali laboratoryjnej: analiza szybkości spalania w teście wolno nagrzewającego się paliwa (CRASH-P)

Podsumowanie

Przedstawiamy protokół dla testu powolnego gotowania na skalę laboratoryjną dla stałych materiałów pędnych rakietowych, zwany testem Analizy Szybkości Spalania Wolno Podgrzewanego Paliwa (CRASH-P). Zamknięte materiały pędne rakietowe są powoli podgrzewane aż do samozapłonu, a zarówno temperatura gotowania, jak i gwałtowność reakcji są mierzone za pomocą dynamicznych czujników ciśnienia.

Streszczenie

Stałe materiały pędne do rakiet są powszechnie używane do zastosowań napędowych przez agencje wojskowe i kosmiczne. Chociaż są bardzo skuteczne, w pewnych warunkach mogą być niebezpieczne dla personelu i sprzętu, przy czym szczególnym zagrożeniem jest powolne nagrzewanie się w warunkach zamkniętych. W tym artykule opisano bardziej przystępny cenowo test laboratoryjny, który jest łatwiejszy do skonfigurowania i został opracowany do badania przesiewowego składników paliwa rakietowego. Paliwa rakietowe są wlewane do uchwytów na próbki, które zostały zaprojektowane tak, aby miały takie samo ograniczenie jak standardowe silniki rakietowe (objętość paliwa do całkowitej objętości w pojemniku) i zapewniają, że materiał pędny nie jest łatwo odprowadzany. Gwałtowność reakcji określa się ilościowo za pomocą czasu potrzebnego do osiągnięcia 90% maksymalnego ciśnienia po samozapłonie, co jest analogiczne do manometrów nadciśnienia nadmuchowego używanych do pomiaru przemocy w teście na pełną skalę. Zaobserwowano dodatnią korelację między prędkością i ciśnieniem wytwarzanym w wyniku reakcji a mocą wytwarzaną przez paliwo rakietowe podczas reakcji.

Wprowadzenie

Stałe paliwa rakietowe są szeroko stosowane w obronie, przestrzeni kosmicznej i zastosowaniach generujących gaz. Są to stosunkowo niezawodne paliwa, które bardzo dobrze spełniają wiele funkcji. Jednak wiele materiałów pędnych rakietowych zawiera niebezpieczne składniki, takie jak nadchloran amonu (AP). Paliwa rakietowe z tymi utleniaczami mogą gwałtownie eksplodować, gdy są powoli podgrzewane^1,2,3. Było kilka głośnych wypadków z powolnym nagrzewaniem się paliwa rakietowego lub składników paliwa rakietowego, które zwróciły uwagę na te kwestie, takie jak pożar i późniejsze spalenie amunicji na USS Forrestal⁴ i eksplozja PEPCON¹. Chociaż są to na szczęście rzadkie zdarzenia, mogą być katastrofalne ze względu na straty w personelu i sprzęcie, które występują. Dlatego istnieje motywacja, aby zrozumieć gwałtowność tych reakcji i sprowadzić je do ich zmniejszenia, gdy tylko jest to możliwe. Jedną z głównych przyczyn gwałtownych zdarzeń związanych z gotowaniem paliwa rakietowego jest to, że wiele składników częściowo się rozkłada, pozostawiając reaktywne gazy produktu wraz z utleniaczem o zwiększonej powierzchni reaktywnej.

Jednym konkretnym przykładem jest sól jonowa, nadchloran amonu. Niskotemperaturowy rozkład nadchloranu amonu jest długotrwały i niekompletny, pozostawiając reaktywne produkty pośrednie w strukturze materiału pędnego o znacznej porowatości i powierzchni dostępnej dla kolejnych reakcji5^,6,7,8,9. Ponadto materiały pędne rakietowe, które zawierają azotan amonu i wybuchowe związki azotaminy, mogą wywoływać bardzo gwałtowne reakcje, gdy są powoli podgrzewane^10,11,12. Powolna przemoc w gotowaniu jest ważnym wskaźnikiem amunicji niewrażliwej, ponieważ prawo wymaga, aby wiele rakiet przeszło te testy¹³. Obecnie najlepszym sposobem ustalenia, czy preparat paliwa rakietowego reaguje zbyt gwałtownie w warunkach powolnego nagrzewania, jest przeprowadzenie testu powolnego gotowania (SCO) na pełnowymiarowym silniku rakietowym. Testy te polegają na wzięciu pełnowymiarowego silnika rakietowego i powolnym podgrzaniu go w jednorazowym piecu konwekcyjnym.

Ślady temperatury są dostarczane w wielu miejscach, aż do reakcji, gdzie przemoc jest następnie oceniana na podstawie różnych wskaźników, począwszy od uszkodzenia pojemnika i fragmentacji, a skończywszy na prostych manometrach nadciśnienia i dynamicznych czujnikach ciśnienia do pomiaru ciśnienia wybuchu. Te testy na pełną skalę są często kosztowne i niepraktyczne do badania drobnych zmian w składnikach propelentu¹⁴. Opracowano kilka testów na skalę laboratoryjną, które obejmują podgrzewanie materiałów pędnych lub wybuchowych w różnych konfiguracjach i ocenę uszkodzeń pojemnika po samozapłonie. Chociaż obecne testy laboratoryjne przewidują czas dobrego gotowania, a czasami temperaturę samozapłonu^15,16,17, są mniej zdolne do przewidzenia przemocy.

Jednym z powszechnie używanych testów jest test gotowania w zmiennym zamknięciu¹⁸, który powoli podgrzewa butlę z paliwem, aż się zapali. O gwałtowności reakcji decyduje fragmentacja komory i podczas egzotermicznej reakcji samozapłonu. Najczęściej spotykane w testach laboratoryjnych wykorzystuje się stan końcowy komory do oceny gwałtowności reakcji, a ocena jest do pewnego stopnia subiektywna. Niewielkie różnice w gwałtowności reakcji są trudne do określenia. Ta ocena przemocy ma charakter jakościowy i może być trudno ocenić, czy zmiana składnika preparatu zmieniła przemoc SCO. Co więcej, w przeciwieństwie do prawdziwego silnika rakietowego, obecne testy laboratoryjne nie ograniczają materiału pędnego do wnętrza obudowy. Gazy produktowe mogą łatwo się ulatniać, co jest ważne, ponieważ gazy mogą reagować z propelentem w sposób niejednorodny lub same być reaktywne, jak w przypadku amoniaku i kwasu nadchlorowego, jeśli stosuje się nadchloran amonu.

Jednym z najlepszych przedsięwzięć przy tworzeniu testu na skalę laboratoryjną było użycie dynamicznego czujnika ciśnienia na małej bombie do gotowania¹⁹. Pozwoliło to na określenie większej rozdzielczości, mierzalnych różnic w gwałtowności reakcji dla stosunkowo niewielkich zmian w składzie paliwa rakietowego. Jednak krytycznym problemem związanym z tym testem jest to, że nie ograniczył on paliwa rakietowego w taki sam sposób, jak rzeczywisty silnik rakietowy, a liczne eksperymenty modelowania i podskali wykazały, że jest to ważny czynnik do rozważenia²⁰. Ponadto materiał pędny zwykle nie ma takiej samej powierzchni odsłoniętej ani takiej samej objętości wolnej i nie jest ograniczony geometrycznie w taki sam sposób, jak w przypadku badania na pełną skalę. Analiza szybkości spalania wolno podgrzewanego materiału pędnego (CRASH-P) została opracowana w celu ulepszenia poprzednich testów. Próbki o masie od 25 g do 100 g mogą być badane w podobnych warunkach przetrzymywania materiału pędnego, jak w przypadku testu pełnowymiarowego²¹. Zapewnia również sposób ilościowego pomiaru mocy wytwarzanej w wyniku zdarzenia reakcji za pomocą pomiarów dynamicznego czujnika ciśnienia, czego nie zapewniają obecne testy podskalowe. Stwierdzono, że wyniki dobrze korelują z pełnowymiarowymi testami SCO.

Protokół

1. Przygotowanie próbki paliwa

1. Ostrożnie wymieszaj składniki propelentu (żywicę polimerową, plastyfikatory oraz cząstki paliwa stałego i utleniacza) razem w obracającym się mikserze planetarnym przez określony czas.
   UWAGA: Czas mieszania zależy od konkretnego preparatu, ale większość mieszanek trwa co najmniej 2 godziny.
2. Przelej nieutwardzony materiał pędny rakietowy do specjalnie wykonanego uchwytu na próbki CRASH-P. Umieść trzpień z politetrafluoroetylenu na środku uchwytu próbki podczas odlewania, aby utworzyć środkową perforację po utwardzeniu materiału pędnego. Użyj uchwytu trzpienia (Rysunek 1), aby upewnić się, że środkowa perforacja w paliwie jest prosta i spójna.
   UWAGA: Uchwyty na próbki CRASH-P powinny być skalowane tak, aby miały taką samą objętość paliwa do objętości komory wewnętrznej, jak rzeczywisty silnik rakietowy, aby naśladować uwięzienie paliwa w pełnowymiarowym silniku rakietowym. Uchwyty na próbki CRASH-P wykonane są z polieteroeteroketonu (PEEK) lub aluminium. Chociaż preparaty rakietowe bez paliwa metalowego mogą wykorzystywać PEEK, preparaty metalizowane powinny wykorzystywać aluminiowe uchwyty, aby nie stopiły się przedwcześnie podczas samozapłonu.
3. Umieść próbki CRASH-P w piecu, aby przyspieszyć wszelkie reakcje poliuretanowe lub inne substancje chemiczne wymagane do utwardzenia propelentu. Utrzymuj temperaturę piekarnika na poziomie 60 °C w celu utwardzania uretanu i zwiększaj lub zmniejszaj temperaturę w zależności od składników paliwa rakietowego.
4. Po utwardzeniu propelentów należy je przyciąć tak, aby nadmiar propelentu nie wystawał z powierzchni uchwytu próbki i nie kolidował z uszczelką czołową pierścienia uszczelniającego o przekroju okrągłym. Bezpiecznie wyjmij trzpień z każdego preparatu, delikatnie go wyciągając.
   UWAGA: Materiał pędny należy przyciąć żyletką lub innym ostrym przedmiotem, aby zminimalizować tarcie o powierzchnię materiału pędnego.
5. Umieść silikonowy O-ring wewnątrz powierzchni uchwytu próbki CRASH-P, aby uzyskać prawidłowe uszczelnienie ciśnieniowe (Rysunek 1).
   UWAGA: Rozmiar O-ringu będzie się różnić w zależności od rozmiaru uchwytu na próbki CRASH-P. Na przykład O-ring w rozmiarze 025 jest używany do testu 25 g, a O-ring w rozmiarze 128 jest używany do testu 50 g.
6. Przykręć pokrywę do uchwytu próbki CRASH-P i dokręć ją kluczem imbusowym. Dokręć w kształcie gwiazdy, aby bardziej równomiernie rozłożyć siłę uszczelnienia.

2. Przygotowanie komory CRASH-P

1. Upewnij się, że komora CRASH-P nie jest pod ciśnieniem, otwierając zawór wydechowy podłączony do komory CRASH-P. Zdejmij pokrywę komory, nasadkę i podkładkę oporową z korpusu CRASH-P. Przymocuj deskę do nasadki CRASH-P do przechowywania próbek CRASH-P.
2. Wyczyść komorę CRASH-P, aby usunąć ślady ostatniego testu. Wyszoruj wszystkie pozostałości spalania szczotką drucianą i wyczyść komorę rozpuszczalnikiem organicznym, takim jak etanol, izopropanol, aceton lub keton metylowo-etylowy. Wszelkie jednorazowe środki czyszczące należy utylizować jako odpady niebezpieczne zgodnie z lokalnymi i krajowymi przepisami.
   UWAGA: Podczas czyszczenia wymienionymi rozpuszczalnikami należy używać środków ochrony osobistej, takich jak ochrona oczu, odpowiedni fartuch laboratoryjny lub rękawice odporne chemicznie.
3. Sprawdź dynamiczne czujniki ciśnienia CRASH-P pod kątem nietypowego zużycia.
   UWAGA: Czujniki wykorzystują montaż wpuszczany z komorą CRASH-P, ponieważ mogą wytrzymać tylko maksymalną temperaturę 204 °C, aby zapobiec uszkodzeniu ich wewnętrznej elektroniki. Te wysokotemperaturowe czujniki ze wzmocnionym ładunkiem wykorzystują przekształtnik znajdujący się za nim (patrz tabela materiałów) do zmiany sygnału na sygnał piezoelektryczny układu scalonego (ICP).
4. Usuń złączki 1/8 cala American National Pipe Thread (NPT), które mocują czujniki ciśnienia do głównego korpusu CRASH-P. Usuń wszelkie pozostałości po spalaniu szpachelką lub rozpuszczalnikiem organicznym. Odkręć czujnik ciśnienia od złącza NPT.
5. Napełnij złączkę NPT uszczelniaczem silikonowym do wulkanizacji w temperaturze pokojowej. Wkręć czujnik ciśnienia z powrotem do środka, upewniając się, że część szczeliwa jest wytłoczona. Wytrzyj szczeliwo tak, aby zrównało się ze złączką 1/8 cala NPT.
6. Pozwól szczeliwu utwardzić się przez co najmniej 12 godzin. Zainstaluj ponownie czujniki ciśnienia sprzężone z NPT, aby chronić czujniki przed błędami temperatury wywołanymi podmuchem w dynamicznych odczytach ciśnienia.
7. Przygotować przepusty elektryczne do diagnostyki temperatury. Zdejmij izolację z przewodów termopary i przeprowadź nieosłonięte przewody przez przepustową tuleję izolacyjną.
   UWAGA: Model i typ przepustów elektrycznych będzie się różnić w zależności od grubości drutu i liczby potrzebnych przepustów. Patrz Tabela materiałów, aby zapoznać się z przepustami elektrycznymi stosowanymi w komorze CRASH-P.
8. Do testu CRASH-P należy użyć standardowych termopar typu K, ponieważ temperatura i częstotliwość próbkowania w teście są dość standardowe. Zainstaluj odpowiednie połączenie na drugim końcu przepustu.
   UWAGA: Ze względu na produktywność zaleca się wykonywanie wielu przepustów elektrycznych.
9. Przeciągnij dwa przepusty elektryczne przez nasadkę komory. Pozostaw co najmniej 0,3 m termopary na każdy przepust wewnątrz komory. Upewnij się, że strona termopar z koralikami znajduje się w komorze CRASH-P.

3. Instalacja próbki paliwa

1. Przykręć zapieczętowaną próbkę CRASH-P do stalowej deski (Rysunek 2B) przymocowanej do pokrywy komory testu CRASH-P, aby utrzymać próbkę w środku komory.
   UWAGA: Upewnienie się, że próbka znajduje się w środku komory bez dotykania ścianki naczynia, zapewnia, że próbka jest podgrzewana przez konwekcję, a nie przewodzenie.
2. Umieść jedną z termopar z przepustów elektrycznych w uchwycie próbki propelentu, aby uchwycić wszelkie reakcje egzotermiczne. Umieść kolejną termoparę na stalowej desce, skierowaną do góry, aby pobrać próbkę temperatury powietrza w komorze CRASH-P (Rysunek 2). Upewnij się, że termopara próbkująca temperaturę powietrza jest termoparą kontrolującą regulator temperatury.
3. Umieść pierścień uszczelniający we wgłębieniu przypominającym pierścień w komorze CRASH-P. Upewnij się, że pierścień uszczelniający jest czysty z wszelkich ciał obcych.
4. Po prawidłowym zabezpieczeniu próbki na desce i prawidłowym umieszczeniu termopar wsuń nasadkę komory do korpusu komory. Uważaj, aby nie obrócić nasadki komory, oznaczając nasadkę komory.
5. Użyj cylindrycznego pręta, aby włożyć podkładkę oporową i całkowicie nakręcić i dokręcić głowicę mocującą do komory.
6. Wkręć sześciokątną 7/8"-9 w głowicę komory. Dokręć je w gwiazdę, aby zapewnić równomierne dokręcenie komory. Użyj klucza dynamometrycznego do końcowego dokręcenia komory, aby zapewnić równomierne uszczelnienie.
   UWAGA: Ogólnie rzecz biorąc, 169,48 N∙m wystarcza do równomiernego uszczelnienia.
7. Zamontuj zaciski ustalające komorę i przytrzymaj je na miejscu za pomocą kołków ustalających. W razie potrzeby użyj gumowego młotka, aby zapewnić dokładne dopasowanie do małża i zapobiec pionowemu ruchowi komory.
8. Zamontuj płytę końcową komory, przykręcając ją do stołu testowego, aby zapobiec ruchowi osiowemu testu CRASH-P podczas zapłonu.
9. Podłącz koncentryczne dynamicznego czujnika ciśnienia do kondycjonera sygnału. Podłącz elektryczne grzałki taśmowe (Rysunek 2D) do gniazdek, które łączą się z regulatorami temperatury, aby grzałki taśmowe mogły być sterowane przez regulator temperatury, który dostarcza zasilanie 220 VAC do grzejników.

4. Ustawianie i sprawdzanie oprzyrządowania testowego

1. Zaprogramuj regulator temperatury (wymagający zasilania 120 VAC) tak, aby przesyłał sygnał 24 V do przekaźnika półprzewodnikowego - przełącznika, który określa, kiedy moc grzewcza jest włączana lub wyłączana.
   UWAGA: Podobnie jak w przypadku każdego testu gotowania, programowanie regulatora temperatury ma kluczowe znaczenie dla przeprowadzania wiarygodnych testów.
2. Dostosuj regulator temperatury przed testem, aby uzyskać odpowiednią charakterystykę grzewczą.
   UWAGA: Proporcjonalne wzmocnienie, charakterystyki całki i szybkość powinny być ustawione tak, aby zminimalizować oscylacje i przeregulowanie.
3. Ustaw wartości temperatury potrzebne dla 16 przedziałów czasowych na regulatorze temperatury. Pierwsze trzy interwały należy wykorzystać do ustawienia rampy i okresu namaczania, w którym temperatura jest utrzymywana na poziomie 50 °C przez co najmniej 2 godziny. Następnie wprowadź interwały, aby dostarczyć punkty danych dla testu, aby mieć liniowy profil grzewczy, który nie zmienia nachylenia podczas testu (celem jest 15 °C/h) i ustaw temperaturę końcową na 300 °C.
4. Upewnij się, że przewody wlotowe i wylotowe są podłączone do dynamicznego kondycjonera sygnału ciśnienia. Włączyć dynamiczny kondycjoner sygnału ciśnienia. Jeśli nie ma wskazanych spodenek, przejdź do następnego kroku.
   UWAGA: Świeci się czerwone światło dla zwartego czujnika.
5. Użyj trzech termopar typu K, których końce kończą się wewnątrz termopary amplifier i upewnij się, że amplifier jest włączony. Włącz kamerę monitorującą na czas testu, aby nagrać test CRASH-P za pomocą wideo, aby operatorzy mogli zdalnie zobaczyć, czy coś dzieje się z komorą. Włącz zasilanie elektryczne grzejników na konsoli sterowania (Rysunek 3) i włącz regulator temperatury, aby zdalnie uruchomić test.
6. Na stronie CTRL regulatora temperatury włącz funkcję RSEN. Naciśnij przycisk aux na regulatorze temperatury, aby zmienić stan testu z trybu czuwania na uruchomienie, aby test rozpoczął nagrzewanie komory.

5. Akwizycja danych i czyszczenie testów

1. Skonstruuj stół warsztatowy w oprogramowaniu systemu akwizycji danych, aby skonfigurować dwa odrębne regiony do zbierania danych testowych: jeden dla ciśnienia, które ma być mierzone przez płytę główną, a drugi dla temperatur, które mają być mierzone dla wzmacniacza termopary (Rysunek 3).
2. Sprawdź system akwizycji danych, aby zobaczyć, czy nastąpiło wyzwolenie zdarzenia, co oznacza, że próbka doświadczyła reakcji egzotermicznej i może zostać zatrzymana. Ustaw system tak, aby działał w wyzwalanym mechanizmie przemiatania, tak aby po osiągnięciu napięcia progowego częstotliwość próbkowania ciśnienia zmieniała się z jednej próbki na sekundę do 50 000 próbek/s, aby dokładnie rozwiązać pracę wykonaną przez reagującą próbkę podczas samozapłonu.
   UWAGA: Należy wcześniej przeprowadzić testy obojętne, aby zbadać, jak kontrolować szybkość nagrzewania. Czujniki ze wzmocnionym ładunkiem mogą pobierać próbki z szybkością do 500 000 próbek/s, ale ta prędkość zwykle nie jest konieczna w tym teście.
3. Jeśli zaobserwuje się reakcję wyzwalaną egzotermią, naciśnij przycisk stop w oprogramowaniu do akwizycji danych. Ponieważ pozyskiwanie danych nie kończy się samoistnie, należy okresowo sprawdzać test, aby sprawdzić, czy nie ma egzotermii temperatury lub wyzwolonej reakcji ciśnieniowej. Jeśli zaobserwujesz którykolwiek z tych objawów, ręcznie zatrzymaj nagrywanie i wyłącz zasilanie grzałki, wideo i regulator temperatury.
4. Ręcznie wyeksportuj dane dotyczące temperatury i ciśnienia do plików tekstowych, które są rozdzielane tabulatorami, upewniając się, że dane dotyczące ciśnienia i temperatury są eksportowane oddzielnie ze względu na różne częstotliwości próbkowania. Przenieś pliki tekstowe na inny komputer, aby przeprowadzić analizę danych na wynikach.
5. Odczekaj co najmniej 12 godzin, aż test ostygnie przed demontażem komory testowej. Przewietrzyć komorę, aby uwolnić wszelkie gazy produktowe z reakcji egzotermicznej. Ostrożnie zdemontuj komorę testową.
   UWAGA: Nosić środki ochrony osobistej - fartuch laboratoryjny odporny na chemikalia/płomienie, odpowiednie rękawice i respirator - ponieważ produkty pędne do rakiet mogą być niebezpieczne.
6. Oczyścić komorę i wszystkie elementy, a następnie pobrać fragmenty pojemnika na próbkę z uchwytu na próbkę.

6. Analiza danych CRASH-P

UWAGA: Analiza danych składa się z rzeczywistych śladów temperatury i wyzwolonych danych dynamicznego ciśnienia. System akwizycji danych zaznacza lokalizację wyzwalacza, a użytkownik może zobaczyć czas, w którym to nastąpiło. Spust odpowiada dynamicznej wartości ciśnienia, która jest o 5% wyższa niż linia podstawowa.

1. Zatrzymaj nagrywanie w oprogramowaniu i wyeksportuj dane dotyczące temperatury i ciśnienia do plików tekstowych rozdzielanych tabulatorami.
2. Otwórz pliki tekstowe za pomocą oprogramowania do tworzenia wykresów. Sprawdź dane dotyczące egzotermów temperatury, na podstawie których można określić temperaturę zapłonu, i sprawdź, jak szybko wzrasta ciśnienie w komorze.
3. Porównaj wyniki CRASH-P z pełnowymiarowymi danymi testowymi SCO dla testowanej formulacji, jeśli są one dostępne. Porównaj temperaturę samozapłonu i gwałtowność reakcji.

Wyniki

Aby pomóc czytelnikowi wyobrazić sobie, jak podsystemy testu CRASH-P współdziałają ze sobą, eksperymentalny schemat jest pokazany w Rysunek 4. Termopary wewnątrz komory CRASH-P sterują danymi wejściowymi do systemu akwizycji danych za pośrednictwem wzmacniacza termopary. Regulator temperatury obsługuje przekaźnik elektryczny, który włącza i wyłącza elektryczne grzałki taśmowe. Gwarantuje to uzyskanie prawidłowego profilu grzewczego dla próbki paliwa rakietowego. Gdy dochodzi do samozapłonu próbki, system akwizycji danych uruchamia zbieranie danych o dynamicznym ciśnieniu z dużą prędkością przy 50 000 próbek/s. Następnie test się kończy, dane są zapisywane, a system kontroli temperatury zostaje wyłączony. Po co najmniej 12 godzinach komora CRASH-P powinna osiągnąć temperaturę pokojową, a wszelkie gazy produktu mogą zostać usunięte.

Typowe reprezentatywne wyniki są widoczne w Rysunek 5. Śledzenie temperatury powietrza w komorze wewnętrznej i wewnętrznej temperatury paliwa jest dostarczane przez system akwizycji danych. Drobne reakcje egzotermiczne przed zapłonem są często mierzone wraz z główną reakcją egzotermiczną. Zwykle reakcja egzotermiczna nie jest na tyle gwałtowna, aby złamać koralik termopary, dzięki czemu można uchwycić całe zdarzenie. Ponadto dynamiczne odczyty ciśnienia dla reakcji są rejestrowane dla przednich, tylnych i tylnych manometrów dynamicznych. Podobnie jak w przypadku większości laboratoryjnych zdarzeń związanych z gotowaniem, stan pojemnika na próbkę po reakcji można ocenić pod kątem uszkodzeń (Rysunek 5C). Wreszcie, Rysunek 5D pokazuje, że może istnieć dość duży stopień zmierzonej zmienności w gwałtowności reakcji różnych próbek materiału pędnego, co pozwala na ilościowe określenie i porównanie przemocy dla różnych reakcji. Ogólnie rzecz biorąc, szybsze reakcje zwiększania ciśnienia miały większe rozproszenie lub szum w danych dotyczących ciśnienia (Rysunek 5D), co jest zgodne z większą oscylacją komory spowodowaną bardziej gwałtowną reakcją.

Rysunek 1: Przygotowanie i uszczelnienie próbek CRASH-P. (A) Składniki paliwa rakietowego są mieszane w mieszalniku planetarnym. (B) Paliwo rakietowe jest odlewane do uchwytu na próbkę z trzpieniem z politetrafluoroetylenu. (C) Próbki propelentu są przycinane, a w pojemniku umieszcza się pierścień uszczelniający o przekroju okrągłym w celu uszczelnienia. (D) Pojemnik na próbkę jest szczelnie zamknięty i przykręcony. Uwięzienie próbki jest takie samo, jak w przypadku rzeczywistych silników rakietowych. Skrót: CRASH-P = Analiza szybkości spalania wolno nagrzewającego się materiału pędnego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Próbka załadowana i przygotowanie testu CRASH-P. Rozmieszczenie próbek ma kluczowe znaczenie. (A) Próbki umieszcza się na desce i centralnie ogrzewa za pomocą naturalnej konwekcji podczas badania. (B) Próbka jest przykręcana i utrzymywana na miejscu na desce. (C) Termopary umieszcza się na desce i wewnątrz próbki paliwa w celu kontroli temperatury i celów diagnostycznych. (D) Komora CRASH-P jest uszczelniona, a grzałki taśmowe są podłączone do zasilania 220 VAC sterowanego przez regulator temperatury. Skrót: CRASH-P = Analiza szybkości spalania wolno nagrzewającego się materiału pędnego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Oprzyrządowanie i akwizycja danych do testu CRASH-P. (A) Dynamiczny kondycjoner sygnału ciśnienia, (B) wzmacniacz termopary, (C) test sterowania ogrzewaniem, oraz (D) akwizycja danych podczas testu. . Skrót: CRASH-P = Analiza szybkości spalania wolno nagrzewającego się materiału pędnego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Eksperymentalny schemat testu CRASH-P. System monitorowania temperatury kontroluje szybkość ogrzewania. Dynamiczne czujniki ciśnienia określają ilościowo gwałtowność reakcji zdarzenia samozapłonu, a system gromadzenia danych rejestruje wszystkie te dane testowe na potrzeby eksperymentu. CRASH-P = Analiza szybkości spalania wolno nagrzewającego się materiału pędnego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Reprezentatywne dane testowe dla przebiegu testu CRASH-P. (A) Ślady temperatury podczas testu. (B) Odczyty ciśnienia dynamicznego z tyłu, z tyłu i z przodu. (C) Pojemnik na próbkę CRASH-P po badaniu. (D) Porównanie odczytów ciśnienia dynamicznego czoła dla sześciu różnych formulacji paliwa rakietowego. CRASH-P = Analiza szybkości spalania wolno nagrzewającego się materiału pędnego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

Jednym z najważniejszych elementów tworzenia testu CRASH-P było podjęcie decyzji, który wskaźnik z testu będzie najlepiej wykorzystany do ilościowego określenia gwałtowności reakcji preparatów paliwa rakietowego. Prędkość i wielkość ciśnienia wytwarzanego w wyniku reakcji jest wprost proporcjonalna do mocy wytwarzanej przez paliwo rakietowe podczas reakcji. Jest również bezpośrednio analogiczny do manometru nadmuchu używanego w pełnoskalowym teście SCO. Początkowo stosowano współczynnik zwiększania ciśnienia (dP/dt), ale dane te były mylące, ponieważ różne preparaty zawierają różne ilości paliwa i utleniacza oraz wytwarzają różne ilości gazu o różnym składzie. Aby zminimalizować to odchylenie wynikające ze skutków zmiany składników preparatu, zamiast tego zastosowano czas do 90% ciśnienia szczytowego, który dobrze korelował z przemocą w teście SCO na pełną skalę.

Kolejną operacją testową, która okazała się ważna, jest uwięzienie. Wczesne uchwyty na próbki były wykonane z materiałów termoplastycznych zaprojektowanych do radzenia sobie z wysokimi temperaturami testu. Niestety, chociaż próbki te nie stopiły się, zmiękczyły i nie zapewniały takiego samego zamknięcia jak metalowe uchwyty na próbki. Gwałtowność reakcji dla tych próbek była zauważalnie mniejsza niż gwałtowność reakcji dla metalowych uchwytów próbek. Innym kluczowym odkryciem testu było to, że niektóre preparaty paliwa rakietowego miały krytyczne rozmiary, aby niezawodnie ulegać samozapłonowi. Preparaty aluminiowane miały trudności z gotowaniem i samozapłonem, jeśli miały mniej niż 50 g. Przypisano to wymogowi progowej ilości nadchloranu amonu, która była wymagana do gwałtownej reakcji. Ponadto kolejnym spostrzeżeniem było to, że termoplastyczne nie działały. Oryginalne uchwytu próbki CRASH-P były wykonane z PEEK i trzeba było je wymienić na stal nierdzewną. Uwięzienie nie było wystarczająco silne, ponieważ materiał PEEK rozszerzał się termicznie, zanim osiągnięto samozapłon materiału pędnego.

W przypadku niektórych preparatów, które zapalają się w wyższych temperaturach, głównie preparatów aluminiowanych, pożądane jest użycie aluminiowej obudowy uchwytu na propelent, ponieważ nie miękną one w wyższych temperaturach. Wreszcie, dynamiczne czujniki ciśnienia ICP były oryginalnie używanymi czujnikami ciśnienia. Jednak po ~10 testach wyniki stawały się coraz bardziej głośne, prawdopodobnie z powodu wystawienia na zbyt wysoką temperaturę. Czujniki ciśnienia dynamicznego zostały zamienione z czujników ICP na czujniki wzmacniacza ładowania. Jednak czujniki wzmacniacza ładowania tracą ładunek, jeśli są włączone zbyt długo. Aby zminimalizować ten efekt, zastosowano wbudowany konwerter wzmacniacza ładowania na ICP w bezpiecznym obszarze temperatury. Ponieważ maksymalna częstotliwość próbkowania czujnika ciśnienia wynosi 500 000 próbek/s, można rejestrować częstotliwości próbkowania szybsze niż 50 000 próbek/s. Nie było jednak takiej potrzeby, ponieważ wydarzenia nie potoczyły się tak szybko.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
½ x 24 x 12' Ceramiczny koc izolacyjny	Cotronics Corporation	370-3	Izolacja termiczna do CRASH-P Komora
20 miernik Termopara typu K	Omega Engineering	EXPP-K-20-SLE-500	Przewód termopary do pomiarów temperatury
Dynamiczny kondycjoner sygnału ciśnienia	PCB Piezotronics	482C16	Konwertuje sygnał ICP na napięcie dla systemu akwizycji danych
Przepust elektryczny Komora CRASH-P	Conax
GC-35	zajmująca się urządzeniami wysokociśnieniowymi	GC-35	Główna komora reakcyjna CRASH-P Test
Gen 3i i oprogramowania Perception	HBM Inc.	Główny	system akwizycji danych Gen3i dla danych CRASH-P
Wysokotemperaturowy czujnik ciśnienia ze wzmocnionym ładunkiem	PCB Piezotronics	113B03	Dynamiczne czujniki ciśnienia stosowane w teście CRASH-P
Konwerter In-Line Charge Amp-to-ICP	PCB Piezotronics	422E53	Konwertery czujnik ciśnienia sygnał wzmacniacza ładowania na sygnał ICP
Grzejniki pasma miki	Omega Engineering	MBH00295	Element rezystancyjny do podgrzewania testu CRASH-P
Wzmacniacz termopary Quantum X	HBM Inc.	1-MX1609KB	Służy do pomiarów temperatury
Termopara typu K izolowana teflonem (średnica 0,02 cala)	Omega Engineering	5TC-TT-K-24-36	Regulator temperatury termopar typu K
	Regulator temperatury PID	Omega Engineering	CN3251