Badanie powolnego gotowania materiałów pędnych rakietowych w skali laboratoryjnej: analiza szybkości spalania w teście wolno nagrzewającego się paliwa (CRASH-P)
6 lutego 2021
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.
Test CRASH-P może być wykorzystany do ilościowej oceny gwałtowności reakcji powolnego gotowania paliw rakietowych na znacznie mniejszą skalę niż obecne metody testowania. Test jest tańszą i szybszą metodą badania paliwa rakietowego pod kątem ich powolnej gwałtowności gotowania niż obecne testy na pełną skalę. Trudno jest przeprowadzić pełnowymiarowe testy powolnego gotowania we wczesnych stadiach rozwoju paliwa rakietowego.
Test CRASH-P może dostarczyć wielu z tych krytycznych informacji na wczesnym etapie procesu formułowania. Test jest na tyle szybki i tani, że wiele podstawowych pytań dotyczących kinetyki chemicznej składników paliwa rakietowego podczas powolnego gotowania można zbadać bardziej szczegółowo niż kiedykolwiek wcześniej. Test CRASH-P wymaga doświadczenia w oprzyrządowaniu do pomiaru płynów termicznych, a także w ustawianiu szybkiego pozyskiwania danych do pomiarów temperatury i ciśnienia.
Wizualna demonstracja tej metody może być pomocna, ponieważ ustawienie sprzętu diagnostycznego i pozycjonowanie próbki może być trudne przy użyciu samych pisemnych instrukcji. Procedurę demonstruje Christopher Gray Scott Sumner, inżynier badawczy z naszego laboratorium. W celu instalacji w próbce propelentu przykręć pokrywę uchwytu próbki do uchwytu próbki CRASH-P, aby uszczelnić próbkę, a następnie przykręć zapieczętowaną próbkę do stalowej deski przymocowanej do pokrywy komory testu CRASH-P, aby utrzymać próbkę na środku komory.
Umieść jedną z par termicznych z przepustów elektrycznych wewnątrz uchwytu próbki propelentu, aby uchwycić wszelkie reakcje egzotermiczne. Umieść kolejną parę Thermo na stalowej desce skierowanej do góry, aby zarejestrować temperaturę powietrza w komorze CRASH-P. Umieść niewielką ilość RTV w miejscu, w którym para termiczna wchodzi do uchwytu próbki materiału pędnego, aby uszczelnić otwór.
Po zabezpieczeniu próbki wsuń nasadkę komory w korpus komory. Użyj cylindrycznego pręta, aby całkowicie nakręcić i dokręcić głowicę mocującą do komory, a następnie użyj sześciokątnej o skoku dziewięciu gwintów na cal, aby zainstalować o średnicy 7/8 cala w głowicy komory. Dokręć, aby upewnić się, że komora jest równomiernie zabezpieczona i użyj klucza dynamometrycznego, aby zapewnić równomierne uszczelnienie.
Zamontuj zaciski ustalające komorę, przytrzymując clamps na miejscu za pomocą kołków ustalających. Aby zainstalować płytę końcową komory, przykręć płytkę do stołu testowego, aby zapobiec ruchowi osiowemu testu CRASH-P podczas zapłonu. Następnie podłącz koncentryczne dynamicznego czujnika ciśnienia do dynamicznych czujników ciśnienia przed podłączeniem elektrycznych grzałek taśmowych do gniazd wyjściowych, które łączą się z regulatorami temperatury.
Włącz panel sterowania temperaturą i regulator temperatury. Przełączaj się między menu, aby upewnić się, że wszystko jest w ustawieniach domyślnych. Upewnij się, że przewody wlotowe i wylotowe są podłączone do kondycjonera sygnału ciśnienia dynamicznego i włącz kondycjoner.
Ustaw wartości temperatury w regulatorze temperatury zgodnie z potrzebami dla 16 przedziałów czasowych, używając pierwszych trzech interwałów, aby ustawić rampę i okres namaczania w temperaturze 50 stopni Celsjusza przez dwie godziny. Wprowadź pozostałe interwały, aby podać punkty danych dla testu, aby uzyskać liniowy profil grzewczy, który nie zmienia nachylenia podczas testu, i ustaw temperaturę końcową na 350 stopni Celsjusza. Włącz zasilanie elektryczne grzejników na konsoli sterowania i włącz regulator temperatury, aby zdalnie uruchomić test.
Na stronie sterowania regulatora temperatury włącz RSEN. Następnie naciśnij przycisk pomocniczy, aby zmienić stan testu z trybu czuwania na uruchomienie, aby rozpocząć nagrzewanie komory. W celu akwizycji danych, w oprogramowaniu systemu akwizycji danych, ustaw jeden region zbierania danych testowych, aby umożliwić pomiar ciśnienia przez płytę główną, która mierzy ciśnienie dynamiczne, a drugi, aby umożliwić pomiar temperatur przez wzmacniacz pary termicznej.
Ustaw system tak, aby działał w oparciu o wyzwalany mechanizm zestawu, tak aby po osiągnięciu napięcia progowego częstotliwość próbkowania ciśnienia zmieniała się z jednej próbki na sekundę na 50 000 próbek na sekundę. Ponieważ gromadzenie danych nie zatrzymuje się samoistnie, należy okresowo sprawdzać test pod kątem egzotermii temperatury lub wyzwalonych reakcji ciśnieniowych. Jeśli zaobserwujesz którąkolwiek z odpowiedzi, ręcznie zatrzymaj nagrywanie i wyłącz zasilanie grzałki, wideo i regulatora temperatury.
Na koniec eksperymentu ręcznie wyeksportuj dane dotyczące temperatury i ciśnienia do poszczególnych plików tekstowych rozdzielanych zakładkami do odpowiedniego komputera w celu ich dalszej analizy. Pozwól komorze testowej ostygnąć przez co najmniej 12 godzin przed odpowietrzeniem. Komora jest starannie demontowana w celu uwolnienia wszelkich gazów produktu z reakcji egzotermicznej.
Uchwyć wszelkie fragmenty pojemnika na próbkę z uchwytu próbki przed czyszczeniem komory Tutaj można zaobserwować ślady temperatury powietrza w komorze wewnętrznej i wewnętrznej temperatury propelentu uzyskane przez system akwizycji danych. Mierzono mniejsze reakcje egzotermiczne przed zapłonem, wraz z główną reakcją egzotermiczną. Dynamiczne odczyty ciśnienia dla reakcji są zwykle rejestrowane dla przednich, tylnych i tylnych manometrów dynamicznych.
Podobnie jak w przypadku większości laboratoryjnych zdarzeń związanych z gotowaniem, stan pojemnika na próbkę można ocenić pod kątem uszkodzeń po reakcji. Powszechnie obserwuje się 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 wykazują większe rozproszenie lub szum w danych dotyczących ciśnienia, co jest zgodne z większymi oscylacjami komory z powodu bardziej gwałtownej reakcji.
Pamiętaj, aby za każdym razem umieszczać termopary w tym samym miejscu, aby uzyskać płynny i spójny profil grzewczy. Należy również pamiętać o oczyszczeniu powierzchni czujnika ciśnienia, aby zmniejszyć hałas podczas pomiarów gwałtowności reakcji. Po analizie należy sprawdzić pozostałość propelentu i pojemnik na próbkę pod kątem końcowego produktu chemicznego oraz sprawdzić stopień uszkodzenia pojemnika na próbkę w wyniku reakcji powolnego gotowania.
Na koniec pamiętaj, że niektóre składniki paliwa rakietowego mogą reagować znacznie inaczej niż oczekiwano podczas podgrzewania w ograniczonych warunkach. Dziękuję za oglądanie.
Przegląd
Test CRASH-P to protokół w skali laboratoryjnej opracowany w celu oceny gwałtowności reakcji podczas powolnego przegrzania (slow cook-off) stałych paliw rakietowych. Metoda ta umożliwia bardziej efektywną i ekonomiczną analizę wstępną paliw w porównaniu z tradycyjnymi testami w pełnej skali.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Testowanie paliw rakietowych
- Analiza spalania
- Instrumentacja cieczy termicznych
Wstęp
- Pełnowymiarowe testy powolnego spalania (slow cook-off) są trudne i kosztowne.
- Test CRASH-P dostarcza kluczowych danych na wczesnym etapie opracowywania materiału pędnego.
- Umożliwia on szczegółowe badanie kinetyki chemicznej składników materiału pędnego.
- Do przygotowania aparatury wymagane jest doświadczenie w zakresie instrumentacji płynów termicznych.
Cel badania
- Aby ilościowo ocenić gwałtowność reakcji paliw rakietowych.
- Aby zapewnić szybszą i mniej kosztowną alternatywę dla testów w pełnej skali.
- Aby ułatwić procesy opracowywania receptur paliw rakietowych na wczesnym etapie.
Zastosowane metody
- Ustawienie termopar i czujników ciśnienia dynamicznego w komorze testowej.
- Kontrolowane ogrzewanie próbek paliwa rakietowego w celu pomiaru temperatur samozapłonu.
- Akwizycja danych dotyczących temperatury i ciśnienia podczas testu.
- Analiza przebiegów temperatury i gwałtowności reakcji po zakończeniu eksperymentu.
Główne wyniki
- Zaobserwowano zmienność gwałtowności reakcji pomiędzy różnymi próbkami materiału pędnego.
- Szybsze reakcje ciśnieniowe wykazywały większy poziom szumu w danych ciśnienia.
- Przed zapłonem zarejestrowano niewielkie reakcje egzotermiczne.
- Ocena uszkodzeń pojemników z próbkami po reakcji dostarczyła informacji na temat zachowania materiału pędnego.
Wnioski
- Test CRASH-P jest praktyczną metodą przesiewową dla paliw rakietowych.
- Umożliwia on szczegółowe badanie chemii i kinetyki paliw.
- Standaryzacja rozmieszczenia termopar jest kluczowa dla uzyskania spójnych wyników.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Test CRASH-P umożliwia wczesnym etapem ocenę bezpieczeństwa stałych paliw rakietowych w warunkach powolnego ogrzewania, dostarczając krytycznych danych na temat gwałtowności reakcji przed przeprowadzeniem testów w pełnej skali. Ta metoda laboratoryjna wspiera ocenę ryzyka w rozwoju napędów poprzez kwantyfikację kinetyki wzrostu ciśnienia oraz potencjału niekontrolowanego wzrostu temperatury. Stanowi ona kosztowo efektywne narzędzie przesiewowe dla decyzji dotyczących składu paliw w procesach badawczo-rozwojowych w sektorze obronnym i lotniczym.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez dotyczących stabilności termicznej materiałów energetycznych w warunkach ogrzewania w ograniczonej przestrzeni.
- Wartość operacyjna: Dostarcza ilościowych wskaźników ciśnienia i czasu, co pozwala zredukować ryzyko przy wyborze składników paliwa na wczesnym etapie rozwoju.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Umożliwia odtwarzalne pomiary gwałtowności reakcji poprzez czas do wystąpienia 90% maksymalnego ciśnienia, analogicznie do punktów końcowych nadciśnienia wybuchowego.
- Wartość operacyjna: Wspiera wysokoprzepustowe przesiewanie składów materiałów pędnych z wykorzystaniem standaryzowanych uchwytów próbek i stosunków ograniczenia.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Koreluje dynamikę ciśnienia w skali laboratoryjnej z potencjałem wybuchu w pełnej skali, umożliwiając modelowanie predykcyjne właściwości propelentów.
- Wartość operacyjna: Ułatwia podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań na podstawie progów gwałtowności reakcji przed przejściem do testów na poziomie silnika.
Integracja potoku i przepływu pracy
Test CRASH-P wpisuje się w proces opracowywania materiałów pędnych – od selekcji składników po optymalizację receptury – oferując wczesną ocenę gwałtowności reakcji, która stanowi podstawę do późniejszego skalowania i walidacji bezpieczeństwa.
- Biologia odkrywcza: Wspiera mechanistyczne zrozumienie ścieżek egzotermicznego rozkładu w matrycach pędnych pod wpływem stresu termicznego.
- Przesiewanie: Umożliwia zestandaryzowane, ilościowe porównanie gwałtowności reakcji między różnymi kandydatami na paliwa pędne z wykorzystaniem kinetyki wzrostu ciśnienia.
- Analityka: Generuje wysokorozdzielcze zestawy danych o temperaturze i ciśnieniu w celu scharakteryzowania profili samozapłonu i reakcji niekontrolowanych.
- Badania translacyjne: Łączy dane o odpowiedzi termicznej w skali laboratoryjnej z pełnoskalowym przewidywaniem zagrożeń poprzez skorelowane sygnatury ciśnienia i temperatury.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy platformę wielokrotnego użytku do przesiewania paliw pędnych w ramach wielu programów rozwojowych i wariantów składników.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w zachowaniu podczas rozkładu termicznego poprzez powiązanie chemii składników z obserwowaną gwałtownością reakcji.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność dzięki standaryzacji rozmieszczenia termopar, geometrii ograniczenia oraz kontrolowanych profili nagrzewania.
- Wartość strategiczna: Poprawia efektywność kapitałową, umożliwiając wczesną identyfikację wysokoryzykownych formulacji przed kosztownymi testami w pełnej skali.
- Wpływ na portfolio: Wspiera decyzje o rozwoju dostosowane do poziomu ryzyka poprzez kwantyfikację gwałtowności powolnego przegrzania (slow cook-off) jako kluczowego parametru bezpieczeństwa w wyborze materiału pędnego.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymaga doświadczenia w zakresie aparatury do pomiaru cieczy termicznych oraz szybkiego akwizycji danych w celu monitorowania temperatury i ciśnienia.
- Wymagane są dynamiczne czujniki ciśnienia, termopary, grzałki taśmowe oraz kontroler temperatury umożliwiający programowanie profili ramp-soak do 350°C.
- Wymaga standaryzacji przygotowania próbek, rozmieszczenia czujników i montażu komory pomiędzy zespołami w celu zapewnienia porównywalności danych.
- Obejmuje rozważania dotyczące adaptacji dla różnych geometrii paliwa i stopniów zamknięcia, przy zachowaniu równoważnych stosunków objętości do objętości całkowitej.
- Obejmuje ograniczenia praktyczne, takie jak konieczność chłodzenia po teście (powyżej 12 godzin) oraz ostrożny demontaż w celu odzyskania produktów reakcji i oceny uszkodzeń naczynia.
