Teste de cozimento lento de escala de laboratório de propulsores de foguete: a análise da taxa de combustão de um teste de propelente aquecido lentamente (CRASH-P)
6 de fevereiro de 2021
Apresentamos um protocolo para um teste de cozimento lento em escala laboratorial para propulsores de foguetes sólidos chamado análise de taxa de combustão de um teste de propelente aquecido lentamente (CRASH-P). Propulsores de foguetes confinados são lentamente aquecidos até a autoignição, e tanto a temperatura de cozimento quanto a violência da reação são medidos com sensores de pressão dinâmicas.
O teste CRASH-P pode ser usado para avaliar quantitativamente a lenta violência de reação de cook-off de propulsores de foguetes em uma escala muito menor do que os métodos de teste atuais. O teste é um método menos caro e mais rápido para triagem de propulsores de foguetes para sua lenta violência de cozimento do que os testes atuais em larga escala. É difícil realizar testes lentos de cozimento em larga escala nos estágios iniciais do desenvolvimento de propulsores de foguetes.
O teste CRASH-P pode fornecer grande parte dessas informações críticas no início do processo de formulação. O teste é rápido e barato o suficiente para que muitas das questões subjacentes envolvendo cinética química de ingredientes propelente de foguete durante o cozimento lento possam ser exploradas com mais detalhes do que nunca. O teste CRASH-P requer experiência em instrumentação de fluidos térmicos, bem como a configuração de aquisição de dados de alta velocidade para medições de temperatura e pressão.
Uma demonstração visual deste método pode ser útil, pois a configuração do equipamento de diagnóstico e o posicionamento da amostra podem ser difíceis apenas com instruções escritas. Demonstrando o procedimento com Christopher Gray está Scott Sumner, um engenheiro de pesquisa do nosso laboratório. Para instalação na amostra do propulsor, conecte a tampa do suporte da amostra para o suporte da amostra CRASH-P para selar a amostra e, em seguida, fixar a amostra selada à prancha de aço anexada à tampa da câmara do teste CRASH-P para manter a amostra no meio da câmara.
Coloque um dos casais térmicos a partir dos alimentos elétricos dentro do suporte de amostra do propulsor para capturar quaisquer reações extermicas. Coloque outro casal Termo na prancha de aço apontada para registrar a temperatura do ar dentro da câmara CRASH-P. Coloque uma pequena quantidade de RTV onde o casal térmico entra no suporte de amostra do propulsor para selar o orifício.
Uma vez que a amostra tenha sido fixada, deslize a tampa da câmara para o corpo da câmara. Use uma haste cilíndrica para roscar completamente e aperte a cabeça de retenção sobre a câmara e use um tom de nove roscas por polegada para instalar os parafusos de 7/8 polegadas de diâmetro na cabeça da câmara. Aperte os parafusos para garantir que a câmara esteja uniformemente presa e use uma chave de torque para garantir uma vedação uniforme.
Instale os grampos de retentor da câmara, segurando os grampos no lugar com pinos de dowel. Para instalar a placa final da câmara, coloque a placa na mesa de testes para evitar o movimento axial do teste CRASH-P durante um evento de ignição. Em seguida, conecte os cabos coaxiais do sensor de pressão dinâmica aos sensores de pressão dinâmica antes de conectar os aquecedores de banda elétrica nos soquetes de saída que se conectam aos controladores de temperatura.
Ligue o painel de controle de temperatura e o controlador de temperatura. Passe os menus para ter certeza de que tudo está na configuração padrão. Certifique-se de que os fios de entrada e saída estão conectados ao condicionador de sinal de pressão dinâmica e ligue o condicionador.
Defina os valores de temperatura no controlador de temperatura conforme necessário para os intervalos de tempo de 16 utilizando os três primeiros intervalos para configurar um período de rampa e imersão a 50 graus Celsius por duas horas. Insira os intervalos restantes para fornecer os pontos de dados para o teste para obter um perfil de aquecimento linear que não mude a inclinação durante o teste e defina a temperatura final para 350 graus Celsius. Ligue a energia elétrica aos aquecedores do console de controle e ligue o controlador de temperatura para executar o teste remotamente.
A partir da página de controle do controlador de temperatura, coloque o RSEN ligado. Em seguida, pressione o botão auxiliar para alterar a condição de teste de espera para correr para começar a aquecer a câmara. Para aquisição de dados, no software do sistema de aquisição de dados, defina uma região de coleta de dados de teste para permitir a medição da pressão pela placa principal que mede a pressão dinâmica e outra para permitir a medição das temperaturas pelo amplificador de casal térmico.
Defina o sistema para funcionar em um mecanismo de suíte acionado para que, após uma tensão limiar, a taxa de amostragem de pressão mude de uma amostra por segundo para 50.000 amostras por segundo. Como a aquisição de dados não para por conta própria, verifique periodicamente o teste para exotherm de temperatura ou respostas de pressão acionadas. Se qualquer resposta for observada, pare manualmente a gravação e desligue os poderes do aquecedor, vídeo e controlador de temperatura.
No final do experimento, exporte manualmente os dados de temperatura e pressão para arquivos de texto delimitados de guia individual para um computador apropriado para sua análise a jusante. Deixe a câmara de teste esfriar por pelo menos 12 horas antes de ventilar. A câmara é cuidadosamente desmontada para liberar quaisquer gases do produto da reação extermica.
Capture quaisquer fragmentos de recipiente amostral do porta-amostras antes de limpar a câmara Aqui, podem ser observados traços de temperatura para o ar interno da câmara e a temperatura interna do propulsor adquirido pelo sistema de aquisição de dados. Pequenas reações extermicas antes da ignição foram medidas, juntamente com a reação extermica principal. Leituras dinâmicas de pressão para a reação são tipicamente registradas para os medidores de pressão dinâmica dianteira, traseira e traseira.
Como a maioria dos eventos de cozimento de laboratório, o estado do recipiente amostral pode ser avaliado para danos após a reação. Um grande grau de variação medida na violência de reação de diferentes amostras de propelente é comumente observado, permitindo que a violência seja quantificada e comparada para as diferentes reações. Em geral, reações pressurizantes mais rápidas apresentam mais dispersão ou ruído nos dados de pressão, o que é consistente com a maior oscilação da câmara devido a uma resposta mais violenta.
Certifique-se de colocar os termopares no mesmo local cada vez para um perfil de aquecimento suave e consistente. Além disso, certifique-se de limpar as superfícies do sensor de pressão para reduzir o ruído nas medidas de violência de reação. Após a análise, inspecione o resíduo do propulsor e o recipiente de amostra para obter o produto químico final e verifique o grau de dano ao recipiente da amostra a partir da reação lenta de cozimento.
Em uma nota final, lembre-se que certos ingredientes propulsores de foguete podem reagir de forma muito diferente do esperado enquanto são aquecidos em condições confinadas. Obrigado por assistir.
Visão Geral
O teste CRASH-P é um protocolo em escala laboratorial projetado para avaliar a violência da reação de ignição lenta por aquecimento gradual de propelentes sólidos para foguetes. Este método permite uma triagem mais eficiente e economicamente viável de propelentes em comparação com os testes tradicionais em escala total.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Teste de Propelente de Foguete
- Análise de Combustão
- Instrumentação de Fluidos Térmicos
Antecedentes
- Testes completos de aquecimento lento são difíceis e onerosos.
- O teste CRASH-P fornece dados essenciais no início do desenvolvimento de propelentes.
- Permite a exploração detalhada da cinética química dos componentes dos propelentes.
- É necessária experiência em instrumentação térmica de fluidos para a montagem.
Objetivo do Estudo
- Para avaliar quantitativamente a violência da reação de propelentes de foguete.
- Para fornecer uma alternativa mais rápida e menos onerosa em comparação com testes em escala total.
- Para facilitar os processos de formulação em estágios iniciais de propelentes de foguete.
Métodos Utilizados
- Configuração de termopares e sensores de pressão dinâmica na câmara de teste.
- Aquecimento controlado de amostras de propelente para medir temperaturas de ignição espontânea.
- Aquisição de dados de temperatura e pressão durante o teste.
- Análise pós-experimento dos traçados de temperatura e da violência da reação.
Resultados Principais
- Foi observada variação na intensidade da reação entre diferentes amostras de propelente.
- Reações de pressurização mais rápidas apresentaram maior ruído nos dados de pressão.
- Foram registradas reações exotérmicas menores antes da ignição.
- A avaliação de danos aos recipientes das amostras após a reação forneceu informações sobre o comportamento do propelente.
Conclusões
- O teste CRASH-P é um método viável para triagem de propelentes de foguete.
- Ele permite a investigação detalhada da química e cinética do propelente.
- A padronização do posicionamento do termopar é crucial para resultados consistentes.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
O teste CRASH-P permite a avaliação inicial da segurança de propelentes sólidos para foguetes sob condições de aquecimento lento, fornecendo dados cruciais sobre a violência da reação antes de ensaios em escala total. Este método em escala de laboratório auxilia na avaliação de riscos no desenvolvimento de propulsão, quantificando a cinética do aumento de pressão e o potencial de excursão térmica. Oferece uma ferramenta de triagem economicamente eficiente para decisões na formulação de propelentes nos processos de P&D em defesa e aeroespacial.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia e Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite investigar hipóteses sobre estabilidade térmica em materiais energéticos sob aquecimento confinado.
- Valor Operacional: Fornece métricas quantitativas de pressão-tempo para reduzir riscos na seleção de ingredientes de propelentes no início do desenvolvimento.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Fornece medidas reprodutíveis da violência da reação por meio do tempo até o evento de pressão máxima de 90%, análogo aos pontos finais de sobrepressão de explosão.
- Valor Operacional: Permite a triagem de alto rendimento de formulações de propelentes utilizando suportes de amostra padronizados e razões de confinamento.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Correlaciona dinâmicas de pressão em escala laboratorial com o potencial de explosão em escala total, permitindo a modelagem preditiva do desempenho do propelente.
- Valor Operacional: Facilita decisões de prosseguir ou não com base em limiares de intensidade da reação antes da ampliação para testes em nível de motor.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O teste CRASH-P insere-se no continuum de desenvolvimento de propelentes, desde a triagem de ingredientes até a otimização da formulação, oferecendo uma avaliação precoce da violência que orienta o dimensionamento em larga escala e a validação de segurança.
- Biologia da Descoberta: Apoia a compreensão mecanicista de vias de decomposição exotérmica em matrizes de propelentes sob estresse térmico.
- Triagem: Permite comparação padronizada e quantitativa da violência da reação entre diferentes propelentes candidatos, utilizando a cinética da elevação de pressão.
- Análise: Gera conjuntos de dados de alta resolução de temperatura e pressão para caracterizar perfis de autoignição e reações descontroladas.
- Pesquisa Translacional: Conecta dados de resposta térmica em escala laboratorial à predição de riscos em escala real por meio de assinaturas correlacionadas de pressão e temperatura.
- Reutilização Corporativa: Estabelece uma plataforma reutilizável para triagem de propelentes em diversos programas de desenvolvimento e variantes de ingredientes.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Reduz a ambiguidade mecanicista no comportamento de decomposição térmica ao vincular a química dos ingredientes à violência da reação observada.
- Valor Operacional: Garante reprodutibilidade por meio da padronização da colocação do termopar, da geometria de confinamento e de perfis controlados de aquecimento.
- Valor Estratégico: Melhora a eficiência de capital ao permitir a identificação precoce de formulações de alto risco antes de testes em larga escala, mais custosos.
- Impacto no Portfólio: Apoia decisões de avanço ajustadas ao risco ao quantificar a violência do cozimento lento como parâmetro-chave de segurança na seleção de propelentes.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em instrumentação térmica e de fluidos e aquisição rápida de dados para monitoramento de temperatura e pressão.
- Exige sensores de pressão dinâmicos, termopares, aquecedores de fita e um controlador de temperatura capaz de perfis de rampa-patamar até 350°C.
- Exige padronização entre equipes na preparação de amostras, posicionamento de sensores e montagem da câmara para garantir comparabilidade dos dados.
- Envolve considerações de adaptação para diferentes geometrias de propelente e relações de confinamento, mantendo relações equivalentes de volume para volume total.
- Inclui limitações práticas, como a necessidade de resfriamento pós-teste (12 horas ou mais) e desmontagem cuidadosa para capturar os produtos da reação e avaliar danos ao vaso.
