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.
Artykuł metodologiczny
Badanie powolnego gotowania materiałów pędnych rakietowych w skali laboratoryjnej: analiza szybkości spalania w teście wolno nagrzewającego się paliwa (CRASH-P)
W tym artykule
Podsumowanie
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 podgrzewane1,2,3. 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 podgrzewane10,11,12. 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 samozapłonu15,16,17, 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
- 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. - 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. - 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.
- 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. - 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. - 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
- 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.
- 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. - 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). - 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.
- 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.
- 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.
- 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. - 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. - 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
- 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. - 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.
- Umieść pierścień uszczelniający we wgłębieniu przypominającym pierścień w komorze CRASH-P. Upewnij się, że pierścień uszczelniający jest czysty z wszelkich ciał obcych.
- 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.
- Użyj cylindrycznego pręta, aby włożyć podkładkę oporową i całkowicie nakręcić i dokręcić głowicę mocującą do komory.
- 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. - 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.
- Zamontuj płytę końcową komory, przykręcając ją do stołu testowego, aby zapobiec ruchowi osiowemu testu CRASH-P podczas zapłonu.
- 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
- 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. - 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. - 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.
- 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. - 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.
- 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
- 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).
- 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. - 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.
- 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.
- 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. - 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.
- Zatrzymaj nagrywanie w oprogramowaniu i wyeksportuj dane dotyczące temperatury i ciśnienia do plików tekstowych rozdzielanych tabulatorami.
- 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.
- 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 zwizualizować interakcje między podsystemami testu CRASH-P, na Rysunku 4 przedstawiono schemat doświadczalny. Termopary wewnątrz komory CRASH-P sterują przesyłem danych do systemu akwizycji danych za pomocą wzmacniacza termopar. Kontroler temperatury steruje przekaźnikiem elektrycznym, który włącza i wyłącza elektryczne grzałki taśmowe. Zapewnia to uzyskanie właściwego profilu nagrzewania dla próbki paliwa rakietowego. W momencie samoczynnego zapłonu próbki system akwizycji danych uruchamia pomiar dynamicznego ciśnienia z wysoką częstotliwością próbkowania wynoszącą 50 000 samples/s. Następnie test zostaje zakończony, dane są zapisywane, a system kontroli temperatury wyłączany. Po upływie co najmniej 12 h komora CRASH-P powinna osiągnąć temperaturę pokojową, a gazy produktowe mogą zostać odprowadzone.
Typowe reprezentatywne wyniki przedstawiono na Rysunku 5. System akwizycji danych dostarcza wykresy przebiegu temperatury powietrza wewnątrz komory oraz wewnętrznej temperatury materiału pędnego. Przed zapłonem często mierzone są niewielkie reakcje egzotermiczne, towarzyszące głównej reakcji egzotermicznej. Zazwyczaj reakcja egzotermiczna nie jest na tyle gwałtowna, aby uszkodzić ogniwo termopary, dzięki czemu cały przebieg zdarzenia może zostać zarejestrowany. Dodatkowo, odczyty ciśnienia dynamicznego dla reakcji są rejestrowane przez przednie, tylne i zaległe manometry ciśnienia dynamicznego. Podobnie jak w większości laboratoryjnych testów termicznego rozkładu (cook-off), po reakcji można ocenić stopień uszkodzenia pojemnika z próbką (Rysunek 5C). Wreszcie, Rysunek 5D pokazuje, że może występować dość znaczna mierzalna zmienność gwałtowności reakcji różnych próbek materiału pędnego, co pozwala na ilościowe określenie i porównanie gwałtowności różnych reakcji. Ogólnie rzecz biorąc, reakcje z szybszym wzrostem ciśnienia wykazywały większe rozproszenie lub szumy w danych ciśnieniowych (Rysunek 5D), co jest zgodne z większymi oscylacjami komory spowodowanymi bardziej gwałtowną odpowiedzią.
Rysunek 1: Przygotowanie i uszczelnianie próbek CRASH-P. (A) Składniki paliwa rakietowego są mieszane w mikserze planetarnym. (B) Paliwo rakietowe jest wlewane do uchwytu na próbkę z trzpieniem z politetrafluoroetylenu. (C) Próbki paliwa są przycinane, a w celu uszczelnienia w pojemniku umieszcza się uszczelkę typu O-ring. (D) Pojemnik z próbką zostaje uszczelniony i przykręcony. Metoda ograniczenia próbki jest identyczna jak w rzeczywistych silnikach rakietowych. Skrót: CRASH-P = Combustion Rate Analysis of a Slowly Heated Propellant. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 2: Załadunek próbek i przygotowanie testu CRASH-P. Umieszczenie próbki jest kluczowe. (A) Próbki są umieszczane na płytce i ogrzewane centralnie poprzez naturalną konwekcję podczas testowania. (B) Próbka jest przykręcona i unieruchomiona na płytce. (C) Termopary są umieszczane na płytce i wewnątrz próbki paliwa w celu kontroli temperatury i diagnostyki. (D) Komora CRASH-P zostaje uszczelniona, a grzałki taśmowe zostają podłączone do zasilacza 220 VAC sterowanego przez regulator temperatury. Skrót: CRASH-P = Combustion Rate Analysis of a Slowly Heated Propellant. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rycina 3: Instrumentacja i akwizycja danych dla testu CRASH-P. (A) Układ warunkowania sygnału ciśnienia dynamicznego, (B) wzmacniacz termopary, (C) sterowniki grzania testowego oraz (D) akwizycja danych podczas testu. Skrót: CRASH-P = Combustion Rate Analysis of a Slowly Heated Propellant. Aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.
Rycina 4: Schemat eksperymentalny testu CRASH-P. System monitorowania temperatury kontroluje szybkość nagrzewania. Dynamiczne czujniki ciśnienia określają gwałtowność reakcji podczas zdarzenia samozapłonu, a system akwizycji danych rejestruje wszystkie te dane pomiarowe dla eksperymentu. CRASH-P = Combustion Rate Analysis of a Slowly Heated Propellant. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rycina 5: Reprezentatywne dane testowe dla serii badań CRASH-P. (A) Zapisy temperatury podczas testu. (B) Odczyty dynamicznego ciśnienia tylnego, środkowego i przedniego. (C) Pojemnik z próbką CRASH-P po teście. (D) Porównanie odczytów przedniego ciśnienia dynamicznego dla sześciu różnych składów materiałów pędnych rakiet. CRASH-P = Combustion Rate Analysis of a Slowly Heated Propellant. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
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.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Autorzy chcieliby podziękować programowi Joint Enhanced Munitions Technology Program. Panowie Anthony DiStasio i Jeffrey Brock odegrali kluczową rolę w upewnieniu się, że ta praca została ukończona.
Materiały
| 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 |
Bibliografia
- Ibitayo, O. O., Mushkatel, A., Pijawka, K. D. Social and political amplification of technological hazards: The case of the PEPCON explosion. Journal of Hazardous Materials. 114 (1-3), 15-25 (2004).
- Boggs, T. L. The hazards of solid propellant combustion. International Journal of Energetic Materials and Chemical Propulsion. 4 (1-6), 233-267 (1997).
- Price, D., Clairmont, A. R., Jaffe, I. Explosive behavior of ammonium perchlorate. Combustion and Flame. 11 (5), 415-425 (1967).
- Stewart, H. P. The impact of the USS Forrestal's 1967 fire on United States navy shipboard damage control. Master's Thesis, U.S. Army Command and General Staff College. , (2004).
- Bircumshaw, L. L., Newman, B. H. The thermal decomposition of ammonium perchlorate. I. Introduction, experimental analysis of gaseous products, and thermal decomposition experiments. Proceedings of the Royal Society A. Mathematical and Physical Sciences. 227 (1168), 115-132 (1954).
- Bircumshaw, L. L., Newman, B. H. The thermal decomposition of ammonium perchlorate, II. The kinetics of the decomposition, the effect of particle size, and discussion of results. Proceedings of the Royal Society of London . Series A. Mathematical and Physical Sciences. 227 (1169), 228-241 (1955).
- Bircumshaw, L. L., Phillips, T. R. The kinetics of thermal decomposition of ammonium perchlorate. Journal of the Chemical Society (Resumed). 12, 4741-4747 (1957).
- Boldyrev, V. V. Thermal decomposition of ammonium perchlorate. Thermochimica Acta. 443 (1), 1-36 (2006).
- Tolmachoff, E. D., Essel, J. T. Evidence and modeling of heterogeneous reactions of low temperature ammonium perchlorate decomposition. Combustion and Flame. 200, 316-324 (2019).
- Van Dolah, R. W., Mason, C. M., Perzak, F. J. P., Hay, J. E., Forshey, D. R. Explosion hazards of ammonium nitrate under fire exposure. Report of Investigations 6773, United States Department of the Interior, Bureau of Mines. , (1966).
- Doriath, G. Energetic insensitive propellants for solid and ducted rockets. Journal of Propulsion and Power. 11 (4), 870-882 (1995).
- Oxiey, J. C., Kaushik, S. M., Gilson, N. S. Thermal stability and compatibility of ammonium nitrate explosives on a small and large scale. Thermochimica Acta. 212 (21), 77-85 (1992).
- Melita, A. J. US IM Position. Proceedings of the 2006 Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium. , Bristol, U.K. (2007).
- Hayden, H. F., Lustig, E. A., Lawrence, B. G. Development of small-scale slow cook-off (SCO) testing protocol for granular propellants. NDIA Insensitive Munitions and Energetic Materials Conference. , Rome, Italy. (2015).
- Victor, A. C Simple calculation methods for munitions cookoff times and temperatures. Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 20 (5), 252-259 (1995).
- Sandusky, H. W., Chambers, G. P., Erikson, W. W., Schmitt, R. G. Validation experiments for modelling slow cook off. Proceedings of the 12th International Detonation Symposium. , San Diego, California. 863-872 (2002).
- Cook, M. P., Stennet, C., Hobbs, M. L. Development of a small scale thermal violence test. No. SAND2018-7274C. Sandia National Lab. , Albuquerque, NM. (2018).
- Alexander, K., Gibson, K., Baudler, B. Development of the Variable Confinement Cook-off Test. Indian Head Technical Report 1840. NAVSEA Indian Head Division. , (1996).
- Ho, S. Y. Thermomechanical properties of rocket propellants and correlation with cookoff behavior. Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 20 (4), 206-214 (1995).
- Erikson, W. W., Kaneshige, M. J. Pressure and free volume dependence in the cook-off of AP Composite Propellants. No. SAND2014-20085C. 46th JANNAF Combustion Subcommittee. , Albuquerque, New Mexico. (2014).
- Essel, J. T., et al. Investigating the effect of chemical ingredient modifications on the slow cook-off violence of ammonium perchlorate solid propellants on the laboratory scale. Journal of Energetic Materials. 38 (2), 127-141 (2020).
Przedruki i uprawnienia
