Summary
نقدم بروتوكولا لاختبار طبخ بطيء على نطاق المختبر للوقود الصاروخي الصلب يسمى تحليل معدل الاحتراق لاختبار الوقود الدافع الساخن ببطء (CRASH-P). يتم تسخين الوقود الصاروخي المحصور ببطء حتى autoignition ، ويتم قياس كل من درجة حرارة الطهي وعنف رد الفعل باستخدام مستشعرات الضغط الديناميكي.
Abstract
وتستخدم الوكالات العسكرية والفضائية على نطاق واسع الوقود الصاروخي الصلب في تطبيقات الدفع. وعلى الرغم من أنها فعالة للغاية، فإنها يمكن أن تشكل خطرا على الموظفين والمعدات في ظل ظروف معينة، مع بطء التدفئة في الظروف الضيقة التي تشكل خطرا خاصا. تصف هذه الورقة اختبارا مختبريا أكثر تكلفة يسهل إعداده وتم تطويره لفحص مكونات الوقود الصاروخي. يتم إلقاء الوقود الصاروخي في حاملات العينات التي تم تصميمها ليكون لها نفس الحبس مثل محركات الصواريخ القياسية (حجم الوقود إلى إجمالي الحجم في الحاوية) وضمان عدم تنفيس الوقود بسهولة. يتم قياس العنف رد الفعل من خلال الوقت الذي يستغرقه للوصول إلى 90٪ من الحد الأقصى للضغط بعد autoignition، وهو ما يماثل الانفجار مقاييس الضغط الزائد المستخدمة لقياس العنف في اختبار واسع النطاق. ولوحظ وجود ارتباط إيجابي بين السرعة والضغط الناتجين عن التفاعل والقوة التي ينتجها الوقود الصاروخي أثناء التفاعل.
Introduction
وتستخدم الوقود الصاروخي الصلب على نطاق واسع في تطبيقات الدفاع والفضاء وتوليد الغاز. فهي وقود موثوق بها نسبيا التي تؤدي العديد من الوظائف بشكل جيد للغاية. ومع ذلك، يحتوي العديد من الوقود الصاروخي على مكونات خطيرة مثل بيركلورات الأمونيوم (AP). يمكن أن تنفجر الوقود الصاروخي مع هذه المؤاكسات بعنف عندما يسخن ببطء1،2،3. وقد وقعت عدة حوادث بارزة مع بطء تسخين مكونات الوقود الصاروخي أو الوقود الصاروخي التي لفتت الانتباه إلى هذه القضايا مثل الحريق وما تلاه من طهي الذخائر على يو إس إس فوريستال4 وانفجار PEPCON1. وفي حين أن هذه الأحداث نادرة لحسن الحظ، فإنها يمكن أن تكون مدمرة بسبب فقدان الموظفين والمعدات التي تحدث. لذلك، هناك دافع لفهم عنف ردود الفعل هذه ودفعها إلى الأسفل كلما أمكن ذلك. أحد الأسباب الرئيسية لأحداث الطهي العنيفة مع الوقود الصاروخي هو أن العديد من المكونات تتحلل جزئيا ، تاركة غازات المنتج التفاعلية وراءها جنبا إلى جنب مع المؤاكس مع مساحة سطح تفاعلية معززة.
ومن الأمثلة المحددة على ذلك الملح الأيوني، بيركلورات الأمونيوم. يتم استخلاص التحلل منخفضة الحرارة من بيركلورات الأمونيوم وغير مكتملة، وترك المنتجات الوسيطة التفاعلية داخل إطار الوقود مع المسامية كبيرة ومساحة السطح المتاحة لردود الفعل اللاحقة5،6،7،8،9. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون الوقود الصاروخي التي تحتوي على نترات الأمونيوم ومركبات نيترامين المتفجرة ردود فعل عنيفة جدا عند تسخينها ببطء10،11،12. العنف البطيء هو مقياس هام للذخائر غير الحساسة لأن العديد من الصواريخ مطلوبة بموجب القانون لاجتاز هذه الاختبارات13. وفي الوقت الراهن، فإن أفضل طريقة لتحديد ما إذا كانت تركيبة الوقود الصاروخي تتفاعل بعنف شديد في ظل ظروف التدفئة البطيئة هي إجراء اختبار بطيء للطهي على محرك صاروخي كامل النطاق. تتضمن هذه الاختبارات أخذ محرك صاروخي كامل الحجم وتسخينه ببطء في فرن الحمل الحراري المتاح.
يتم توفير آثار درجة الحرارة في مواقع متعددة حتى رد الفعل حيث يتم تقييم العنف بعد ذلك على أساس مؤشرات مختلفة تتراوح بين تلف الحاويات وتجزئتها إلى مقاييس الضغط الزائد البسيطة وأجهزة استشعار الضغط الديناميكي لقياس ضغط الانفجار. هذه الاختبارات على نطاق واسع غالبا ما تكون مكلفة وغير عملية للتحقيق في تغييرات طفيفة في المكونات الوقود14. وقد تم إجراء عدد قليل من الاختبارات المختبرية التي تنطوي على وقود دفع التدفئة أو المتفجرات في مجموعة متنوعة من التشكيلات وتقييم الأضرار التي لحقت بالحاويات بعد حدث التوقيع التلقائي. على الرغم من أن الاختبارات المختبرية الحالية تتوقع الوقت لطهي الطعام بشكل جيد وأحيانا درجة حرارة autoignition15،16،17، فهي أقل قدرة على التنبؤ بالعنف.
اختبار واحد شائع الاستخدام هو اختبار طبخ الحبس المتغير18 الذي يسخن ببطء أسطوانة من الوقود حتى تشتعل. يتم تحديد عنف رد الفعل من خلال تجزئة الغرفة والبراغي أثناء رد فعل الشارة الذاتية الطاردة للحرارة. تستخدم الاختبارات المخبرية الأكثر شيوعا الشرط النهائي للغرفة لتصنيف عنف رد الفعل ، وهناك درجة من الذاتية للتقييم. ومن الصعب تحديد الاختلافات الصغيرة في عنف رد الفعل. وهذا التقييم للعنف نوعي في طبيعته، وقد يكون من الصعب تقييم ما إذا كان تغيير في عنصر صياغة ما قد غير عنف منظمة شنغهاي للتعاون. وعلاوة على ذلك، وخلافا لمحرك صاروخي فعلي، فإن الاختبارات المختبرية الحالية لا تحصر الوقود الدافع داخل الحالة. يمكن للغازات المنتجة الهروب بسهولة ، وهذا أمر مهم لأن الغازات يمكن أن تتفاعل مع الوقود الداسر بشكل غير متجانس أو تكون رد الفعل نفسها ، كما هو الحال في الأمونيا وحمض بيركلوريك إذا تم استخدام بيركلورات الأمونيوم.
واحدة من أفضل الجهود في الأجهزة اختبار مقياس المختبر ينطوي على استخدام جهاز استشعار الضغط الديناميكي على قنبلة صغيرة الحجم كوك حالا19. وقد أتاح ذلك تحديد فروق أعلى في القرار وقابلة للقياس الكمي في عنف رد الفعل فيما يتعلق بالتغيرات الطفيفة نسبيا في تركيب الوقود الصاروخي. ومع ذلك ، فإن مشكلة حرجة في هذا الاختبار هو أنه لم يحصر الوقود الصاروخي بنفس الطريقة التي يحصر بها محرك صاروخي فعلي ، وقد أظهرت العديد من تجارب النمذجة والمقياس الفرعي أن هذا عامل مهم للنظر في20. وبالإضافة إلى ذلك، لا يكون للوقود الدافع عادة نفس الكمية من المساحة السطحية المكشوفة أو نفس الحجم الحر ولا يقتصر هندسيا بنفس الطريقة التي يكون بها الاختبار الشامل. تم تصميم تحليل معدل الاحتراق لاختبار الوقود الدافع الساخن ببطء (CRASH-P) لتحسين هذه الاختبارات السابقة. ويمكن اختبار عينات تتراوح بين 25 غرام و 100 غرام في ظروف حبس الوقود الدافع المماثلة لاختبار كامل النطاق21. كما يوفر وسيلة لقياس الطاقة المنتجة من حدث التفاعل كميا من خلال قياسات استشعار الضغط الديناميكي ، وهو أمر لا توفره الاختبارات الفرعية الحالية. وقد تبين أن النتائج ترتبط ارتباطا جيدا باختبارات المنظمة الشاملة.
Protocol
1. إعداد عينة الوقود الدافع
- اخلط مكونات الوقود الدافع بعناية (الراتنج البوليمري والملدنات والوقود الصلب وجسيمات المؤأكسد) معا في خلاط كوكبي دوار لمدة محددة.
ملاحظة: مدة الاختلاط يعتمد على صياغة محددة، ولكن معظم يمزج يستغرق 2 ساعة على الأقل. - يلقي الوقود الصاروخي غير المفروخ في حامل عينة CRASH-P المصنوع خصيصا. وضع mandrel البوليتيترافلوروإيثيلين في وسط حامل العينة أثناء الصب لإنشاء ثقب مركز عندما يشفي الوقود. استخدام حامل mandrel (الشكل 1) لضمان ثقب مركز في الوقود هو مستقيم ومتسق.
ملاحظة: ينبغي أن يتدرج حاملو عينات CRASH-P ليكون لديهم نفس حجم الوقود الدافع إلى حجم الغرفة الداخلية كمحرك صاروخي فعلي لمحاكاة حبس الوقود الدافع لمحرك صاروخي كامل النطاق. يتكون حاملو عينات CRASH-P من كيتون إيثر متعدد الثير (PEEK) أو الألومنيوم. على الرغم من أن تركيبات الصواريخ بدون وقود معدني يمكن أن تستخدم PEEK ، يجب أن تستخدم التركيبات المعدنية حاملات الألومنيوم حتى لا تذوب قبل الأوان أثناء التكرير الذاتي. - ضع عينات CRASH-P في الفرن لتسريع أي تفاعلات البولي يوريثين أو الكيمياء الأخرى المطلوبة لعلاج الوقود. الحفاظ على درجة حرارة الفرن عند 60 درجة مئوية لعلاج يوريثان، وزيادة أو خفض درجة الحرارة اعتمادا على مكونات الوقود الصاروخي.
- بعد أن يشفى الوقود، قم بتقليمها بحيث لا يبرز الوقود الزائد من سطح حامل العينة ويتداخل مع ختم الوجه O-ring. إزالة بأمان mandrel من كل صياغة عن طريق سحبه بلطف.
ملاحظة: يجب تشذيب الوقود بشفرة حلاقة أو أي أداة حادة أخرى لتقليل التآكل الاحتكاكي ضد سطح الوقود. - ضع حلقة O السيليكون داخل وجه حامل العينة CRASH-P لختم الضغط المناسب(الشكل 1).
ملاحظة: يختلف حجم O-ring استنادا إلى حجم حامل عينة CRASH-P. على سبيل المثال، يتم استخدام O-ring بحجم 025 لاختبار 25 جم ويستخدم حلقة O بحجم 128 لاختبار 50 جرام. - بولت الغطاء على حامل عينة CRASH-P، وتشديد عليه مع وجع ألن. تشديد البراغي في نمط نجمة لتوزيع قوة الختم أكثر بالتساوي.
2. CRASH-P إعداد الغرفة
- تأكد من عدم ضغط غرفة CRASH-P عن طريق فتح صمام العادم المرفق بغرفة CRASH-P. إزالة غطاء الغرفة، وقبعة، وغسالة الدفع من الجسم CRASH-P. إرفاق لوح إلى غطاء CRASH-P لعقد عينات CRASH-P.
- تنظيف غرفة CRASH-P لإزالة آثار الاختبار الأخير. فرك جميع بقايا الاحتراق مع فرشاة الأسلاك، وتنظيف الغرفة مع المذيبات العضوية مثل الإيثانول، isopropanol، الأسيتون، أو كيتون إيثيل الميثيل. التخلص من أي مواد تنظيف ذات استخدام واحد كنفايات خطرة وفقا للوائح المحلية والوطنية.
ملاحظة: يجب استخدام معدات الحماية الشخصية عند التنظيف باستخدام المذيبات المذكورة، مثل حماية العين، أو معطف المختبر المناسب، أو القفازات المقاومة كيميائيا. - تفقد أجهزة استشعار الضغط الديناميكي CRASH-P لأي تآكل غير عادي.
ملاحظة: تستخدم أجهزة الاستشعار تركيبا مع غرفة CRASH-P لأنها لا تستطيع التعامل إلا مع درجة حرارة قصوى تبلغ 204 درجة مئوية لمنع تلف الإلكترونيات الداخلية. تستخدم أجهزة الاستشعار عالية الحرارة والمضخمة للشحن محولا في المصب (انظر جدول المواد)لتغيير الإشارة إلى إشارة كهربائية دائرية متكاملة (ICP). - إزالة 1/8 بوصة الأمريكية الخيط الوطني الأنابيب (NPT) التجهيزات التي تعلق أجهزة استشعار الضغط على الجسم الرئيسي CRASH-P. تنظيف أي بقايا الاحتراق مع ملعقة أو المذيبات العضوية. غير مقروءة استشعار الضغط من اقتران معاهدة عدم الانتشار.
- ملء اقتران معاهدة عدم الانتشار مع درجة حرارة الغرفة التكتن سيليكون تسرب. الخيط استشعار الضغط مرة أخرى في الداخل، والتأكد من أن بعض من تسرب هو مقذوف. مسح تسرب قبالة ذلك هو دافق مع 1/8 بوصة معاهدة عدم الانتشار المناسب.
- دع العلاج المانش لمدة 12 ساعة على الأقل. أعد تركيب مستشعرات الضغط المقترنة بمعاهدة عدم الانتشار لحماية أجهزة الاستشعار من أخطاء درجة الحرارة الناجمة عن الانفجار في قراءات الضغط الديناميكي.
- قم بإعداد الأعلاف الكهربائية لتشخيص درجة الحرارة. تجريد الأسلاك الحرارية من العزل، وتشغيل الأسلاك العارية من خلال الأكمام العازلة feedthrough.
ملاحظة: يختلف طراز ونوع الأعلاف الكهربائية وفقا لقياس السلك وكميات الأعلاف المطلوبة. انظر جدول المواد للأعلاف الكهربائية المستخدمة في غرفة CRASH-P. - استخدم الزج الحراري القياسي من نوع K لاختبار CRASH-P حيث أن درجة الحرارة ومعدلات أخذ العينات للاختبار قياسية إلى حد ما. تثبيت اتصال التزاوج على الطرف الآخر من feedthrough.
ملاحظة: لأسباب تتعلق بالإنتاجية، يتم تشجيعه على إجراء عمليات تغذية كهربائية متعددة. - الخيط اثنين من الأعلاف الكهربائية من خلال غطاء الغرفة. اترك ما لا يقل عن 0.3 متر من الحرارية لكل وسيط داخل الغرفة. تأكد من أن الجانب الخرز من الزج الحراري داخل غرفة CRASH-P.
3. تركيب عينة الوقود الدافع
- بولت مختومة CRASH-P عينة لوح الصلب(الشكل 2B)تعلق على غطاء الغرفة من اختبار CRASH-P للحفاظ على العينة في منتصف الغرفة.
ملاحظة: يضمن التأكد من أن العينة في منتصف الغرفة دون لمس جدار السفينة تسخين العينة عن طريق الحمل الحراري بدلا من التوصيل. - ضع أحد الزج الحراري من الأعلاف الكهربائية داخل حامل عينة الوقود الدافع لالتقاط أي تفاعلات طاردة للحرارة. ضع آخر الحرارية على لوح من الصلب، مشيرا إلى ما يصل إلى عينة من درجة حرارة الهواء داخل غرفة CRASH-P (الشكل 2). تأكد من أن أخذ عينات الحرارية درجة حرارة الهواء هو الحرارية التحكم لوحدة تحكم درجة الحرارة.
- ضع خاتم الختم في المسافة البادئة الشبيهة بالحلقة على غرفة CRASH-P. تأكد من أن حلقة الختم نظيفة من أي حطام جسم غريب.
- بمجرد تأمين العينة بشكل صحيح على اللوح الخشبي ووضع الزجق الحراري بشكل صحيح ، قم بتمرير غطاء الغرفة إلى جسم الغرفة. الحرص على عدم تدوير غطاء الغرفة عن طريق وضع علامة على غطاء الغرفة.
- استخدام قضيب أسطواني لإدراج غسالة الدفع والخيط تماما وتشديد الرأس الاحتفاظ على الغرفة.
- تثبيت 7/8"-9 تعيين مسامير هيكس الترباس في رئيس الغرفة. تشديد عليها في نمط نجمة لضمان أن يتم تشديد الغرفة بالتساوي. استخدام وجع عزم الدوران لتشديد الغرفة النهائية لضمان ختم موحدة.
ملاحظة: عموما، 169.48 N∙m كافية لختم موحد. - تثبيت المشابك التجنيب الغرفة، وعقد لهم في مكان مع دبابيس المسامير. إذا لزم الأمر، استخدم مطرقة مطاطية لضمان تناسب دافئ للبطلينوس ومنع الحركة الرأسية من الغرفة.
- تثبيت لوحة نهاية الغرفة عن طريق الترباس هذا إلى طاولة الاختبار لمنع اختبار CRASH-P من الحركة المحورية أثناء حدث الإشعال.
- قم بتوصيل كابلات استشعار الضغط الديناميكي المحورية المشتركة في مكيف الإشارة. سد سخانات النطاق الكهربائي(الشكل 2D)في مآخذ منفذ التي تتصل وحدات تحكم درجة الحرارة بحيث يمكن التحكم في سخانات الفرقة من قبل وحدة تحكم درجة الحرارة التي تزود 220 طاقة VAC لسخانات.
4. إعداد وفحص أجهزة الاختبار
- برمجة وحدة التحكم في درجة الحرارة (التي تتطلب طاقة 120 فولت فولت) بحيث تنقل إشارة 24 V إلى مفتاح ترحيل الحالة الصلبة الذي يحدد متى يتم تشغيل طاقة التدفئة أو إيقاف تشغيلها.
ملاحظة: مثل أي اختبار طبخ، برمجة وحدة تحكم درجة الحرارة أمر بالغ الأهمية لتشغيل اختبارات موثوق بها. - ضبط وحدة تحكم درجة الحرارة قبل الاختبار للحصول على خصائص التدفئة المناسبة.
ملاحظة: يجب تعيين المكاسب المتناسبة والخصائص المتكاملة ومعدل لتقليل التذبذبات وتجاوز. - قم بتعيين قيم درجة الحرارة المطلوبة للفواصل الزمنية ال 16 على وحدة التحكم في درجة الحرارة. استخدم الفواصل الثلاث الأولى لإعداد منحدر وفترة نقع حيث يتم الاحتفاظ بدرجة الحرارة عند 50 درجة مئوية لمدة 2 ساعة على الأقل. ثم أدخل الفواصل الزمنية لتوفير نقاط البيانات للاختبار ليكون لها ملف تعريف التدفئة الخطية التي لا تغير المنحدر أثناء الاختبار (15 درجة مئوية / ساعة هو الهدف)، وتعيين درجة الحرارة النهائية إلى 300 درجة مئوية.
- تأكد من توصيل أسلاك المدخل والمنفذ بمكيف إشارة الضغط الديناميكي. قم بتشغيل مكيف إشارة الضغط الديناميكي. إذا لم يكن هناك شورت مبين، انتقل إلى الخطوة التالية.
ملاحظة: يضيء الضوء الأحمر لجهاز استشعار قصير. - استخدم ثلاثة من النوع K الحرارية التي تنتهي نهاياتها داخل مكبر للصوت الحرارية، وتأكد من تشغيل مكبر الصوت. قم بتشغيل كاميرا المراقبة للاختبار لتسجيل اختبار CRASH-P عن طريق الفيديو حتى يتمكن المشغلون من معرفة ما إذا كان أي شيء يحدث للغرفة عن بعد. تشغيل الطاقة الكهربائية إلى سخانات على وحدة التحكم (الشكل 3)، وتشغيل وحدة تحكم درجة الحرارة لتشغيل الاختبار عن بعد.
- في صفحة CTRL لوحدة التحكم في درجة الحرارة، قم بتشغيل RSEN. اضغط على زر aux على وحدة التحكم في درجة الحرارة لتغيير حالة الاختبار من وضع الاستعداد لتشغيل بحيث يبدأ الاختبار في تسخين الغرفة.
5. الحصول على البيانات واختبار تنظيف
- بناء منضدة عمل في برنامج نظام الحصول على البيانات لإنشاء منطقتين متميزتين لجمع بيانات الاختبار: واحدة للضغط ليتم قياسها من قبل المجلس الرئيسي وأخرى لدرجات الحرارة التي يتعين اتخاذها لمكبر للصوت الحرارية(الشكل 3).
- تحقق من نظام الحصول على البيانات لمعرفة ما إذا كان هناك حدث تم تشغيله ، مما يعني أن العينة شهدت تفاعلا طاردا للحرارة ويمكن إيقافها. تعيين النظام لتشغيل على آلية الاجتياح المشغلة بحيث بعد الوصول إلى الجهد عتبة، ومعدل أخذ العينات الضغط يذهب من عينة واحدة في الثانية إلى 50،000 عينات / ثانية لحل بدقة العمل الذي قامت به العينة رد فعل أثناء autoignition.
ملاحظة: يجب تشغيل اختبارات خاملة مسبقا للتحقيق في كيفية التحكم في معدل التدفئة. يمكن لأجهزة الاستشعار المضخمة للشحنة أن تتذوق بمعدل يصل إلى 500,000 عينة /ثانية، ولكن هذه السرعة عادة ما لا تكون ضرورية لهذا الاختبار. - إذا تم ملاحظة تفاعل تم تشغيله قوة، اضغط على زر الإيقاف على برنامج الحصول على البيانات. بما أن الحصول على البيانات لا ينتهي من تلقاء نفسه ، فتحقق بشكل دوري من الاختبار للتحقق من وجود exotherm درجة حرارة أو استجابة ضغط مشغلة. إذا تمت ملاحظة أي من هذه، أوقف التسجيل يدويا، ثم أوقف تشغيل طاقة المدفأة والفيديو ووحدة التحكم في درجة الحرارة.
- تصدير بيانات درجة الحرارة والضغط يدويا إلى الملفات النصية التي يتم تحديد علامة التبويب، مع التأكد من أن يتم تصدير بيانات الضغط ودرجة الحرارة بشكل منفصل بسبب معدلات أخذ العينات المختلفة. نقل الملفات النصية إلى كمبيوتر آخر لإجراء تحليل البيانات على النتائج.
- انتظر لمدة 12 ساعة على الأقل حتى يبرد الاختبار قبل تفكيك غرفة الاختبار. تنفيس الغرفة لإطلاق أي غازات المنتج من التفاعل طارد للحرارة. تفكيك بعناية غرفة الاختبار.
ملاحظة: ارتداء معدات الحماية الشخصية الكيميائية / اللهب معطف مختبر مقاومة، والقفازات المناسبة، ومنتجات الوقود الصاروخي التنفس كما يمكن أن تكون خطرة. - تنظيف الغرفة وكافة المكونات، والتقاط أجزاء حاوية عينة من حامل العينة.
6. تحليل البيانات CRASH-P
ملاحظة: يتكون تحليل البيانات من آثار درجة الحرارة الفعلية وبيانات الضغط الديناميكي المشغلة. نظام الحصول على البيانات يمثل موقع المشغل، ويمكن للمستخدم رؤية الوقت الذي حدث فيه ذلك. يتوافق المشغل مع قيمة ضغط ديناميكية أعلى بنسبة 5٪ من خط الأساس.
- إيقاف التسجيل في البرنامج وتصدير بيانات درجة الحرارة والضغط إلى علامة التبويب ملفات نصية محددة.
- افتح الملفات النصية باستخدام برنامج الرسوم البيانية. تحقق من البيانات عن الطاردات درجة الحرارة التي يمكن تحديد درجة حرارة الإشعال منها، وتحقق من مدى سرعة ضغط الغرفة.
- قارن نتائج CRASH-P ببيانات اختبار SCO كاملة النطاق للصياغة التي يتم اختبارها، إذا كانت متوفرة. قارن درجة حرارة autoignition والعنف رد الفعل.
Representative Results
لمساعدة القارئ تصور كيفية تفاعل الأنظمة الفرعية لاختبار CRASH-P مع بعضها البعض، يتم عرض تخطيطي تجريبي في الشكل 4. تتحكم الزمر الحرارية داخل غرفة CRASH-P في بيانات التغذية إلى نظام الحصول على البيانات من خلال مكبر للصوت الحراري. وحدة تحكم درجة الحرارة تعمل تتابع الكهربائية، والتي تحول سخانات الفرقة الكهربائية وخارجها. وهذا يضمن تحقيق صورة التدفئة الصحيحة لعينة الوقود الصاروخي. عند حدوث التوقيع التلقائي للعينة، يقوم نظام الحصول على البيانات بتشغيل جمع بيانات الضغط الديناميكي عالي السرعة عند 50,000 عينة/ثانية. ثم ينتهي الاختبار، ويتم حفظ البيانات، ويتم إيقاف تشغيل نظام التحكم في درجة الحرارة. بعد 12 ساعة على الأقل، يجب أن تكون غرفة CRASH-P في درجة حرارة الغرفة، ويمكن استنفاد أي غازات منتج.
تظهر النتائج التمثيلية النموذجية في الشكل 5. يتم توفير آثار درجة الحرارة لهواء الغرفة الداخلية ودرجة حرارة الوقود الداخلي من قبل نظام الحصول على البيانات. غالبا ما تقاس ردود الفعل الطاردة للحرارة البسيطة قبل الاشتعال جنبا إلى جنب مع رد الفعل الرئيسي للحرارة. عادة ، رد الفعل الطارد للحرارة ليس عنيفا بما يكفي لكسر حبة الزخرفة الحرارية ، لذلك يمكن التقاط الحدث بأكمله. بالإضافة إلى ذلك، يتم تسجيل قراءات الضغط الديناميكي لرد الفعل لمقاييس الضغط الديناميكي الأمامي والخلفي والخلفي. مثل معظم الأحداث مختبر طبخ حالا، يمكن تقييم حالة حاوية العينة بعد رد فعل للضرر(الشكل 5C). وأخيرا، يبين الشكل 5D أنه يمكن أن يكون هناك قدر كبير جدا من التباين المقاس في عنف رد الفعل لعينات الوقود الدافع المختلفة، مما يسمح بقياس العنف كميا ومقارنتها بردود الفعل المختلفة. بشكل عام ، كان لردود الفعل الضغط الأسرع المزيد من التشتت أو الضوضاء في بيانات الضغط(الشكل 5D)، وهو ما يتفق مع التذبذب الأكبر للغرفة بسبب استجابة أكثر عنفا.
الشكل 1: إعداد وختم عينات CRASH-P. (أ) يتم خلط مكونات الوقود الصاروخي في خلاط الكواكب. (ب)يلقي الوقود الصاروخي في حامل عينة مع mandrel البوليتيترافلوروإيثيلين. (ج) يتم تشذيب عينات الوقود الداسر، ويتم وضع حلقة O في الحاوية لأغراض الختم. (D) حاوية عينة مختومة ومنسحب. عينة الحبس هو نفس أن من محركات الصواريخ الفعلية. اختصار: CRASH-P = تحليل معدل الاحتراق من وقود الدفع ساخنة ببطء. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: تحميل العينة وإعداد اختبار CRASH-P. وضع العينة أمر بالغ الأهمية. (أ)توضع عينات على لوح خشبي ويتم تسخينها مركزيا بواسطة الحمل الحراري الطبيعي أثناء الاختبار. (ب) يتم تثبيت العينة والاحتفاظ بها في مكانها على اللوح الخشبي. (ج)توضع الزجات الحرارية على اللوح الخشبي وداخل عينة الوقود الدافع للتحكم في درجة الحرارة ولأغراض التشخيص. (D) يتم إغلاق غرفة CRASH-P، ويتم توصيل سخانات النطاق إلى 220 VAC امدادات الطاقة التي تسيطر عليها وحدة تحكم درجة الحرارة. اختصار: CRASH-P = تحليل معدل الاحتراق من وقود الدفع ساخنة ببطء. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: الأجهزة والحصول على البيانات لاختبار CRASH-P. (أ) مكيف إشارة الضغط الديناميكي،(ب)مكبر للصوت الحرارية،(ج)اختبار ضوابط التدفئة، و (D) الحصول على البيانات أثناء الاختبار. . اختصار: CRASH-P = تحليل معدل الاحتراق من وقود الدفع ساخنة ببطء. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4:التخطيط التجريبي لاختبار CRASH-P. يتحكم نظام مراقبة درجة الحرارة في معدل التدفئة. تقوم مستشعرات الضغط الديناميكي بقياس عنف رد الفعل لحدث التوقيع التلقائي ، ويسجل نظام الحصول على البيانات جميع بيانات الاختبار هذه للتجربة. CRASH-P = تحليل معدل الاحتراق من وقود الدفع ساخنة ببطء. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: بيانات اختبار تمثيلية لاختبار CRASH-P تشغيل. (أ) آثار درجة الحرارة أثناء الاختبار. (ب) قراءات الضغط الديناميكي الخلفي والخلفي والجبهي. (C) CRASH-P حاوية عينة بعد الاختبار. (د)مقارنة قراءات الضغط الديناميكي الأمامي لست تركيبات مختلفة من الوقود الصاروخي. CRASH-P = تحليل معدل الاحتراق من وقود الدفع ساخنة ببطء. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Discussion
وكان أحد أهم أجزاء وضع اختبار CRASH-P هو تحديد المقياس من الاختبار الذي سيستخدم على أفضل وجه لتحديد عنف رد الفعل لصياغات الوقود الصاروخي. سرعة وكمية الضغط الناتجة عن رد الفعل يتناسب مباشرة مع القوة التي تنتجها وقود الدفع الصاروخي عند الرد. كما أنه مشابه مباشرة لقياس الضغط الزائد للانفجار المستخدم في اختبار منظمة شنغهاي للتعاون على نطاق واسع. في البداية، تم استخدام معدل الضغط (dP/dt)، ولكن هذه البيانات كانت مضللة لأن التركيبات المختلفة تحتوي على كميات مختلفة من الوقود والمأكسد وتنتج كميات مختلفة من الغاز مع تكوين متفاوت. ولتقليل هذا التحيز من آثار تغيير مكونات التركيبة، استخدم الوقت إلى 90٪ من ضغط الذروة بدلا من ذلك، وارتبط بشكل جيد بالعنف التجريبي الشامل لمنظمة شنغهاي للتعاون.
وثمة عملية اختبار أخرى تبين أنها مهمة هي الحبس. تم صنع حاملي العينات المبكرة بمواد بالحرارة مصممة للتعامل مع درجات الحرارة العالية للاختبار. ولسوء الحظ، في حين أن هذه العينات لم تذوب، فإنها خففت ولم توفر نفس الحبس الذي يوفره حاملو العينات المعدنية. وكان عنف رد الفعل لهذه العينات أقل بشكل ملحوظ من عنف رد الفعل لحاملي العينات المعدنية. ومن النتائج الرئيسية الأخرى التي تم التوصل إليها بشأن الاختبار أن بعض تركيبات الوقود الصاروخي لها أحجام حرجة للتوصل إلى أوتوينيت بشكل موثوق. واجهت التركيبات الألومينية صعوبة في الطهي والتأييط التلقائي إذا كانت أقل من 50 جراما. ويعزى ذلك إلى اشتراط وجود كمية عتبة من بيركلورات الأمونيوم اللازمة لرد الفعل العنيف. بالإضافة إلى ذلك ، كانت هناك رؤية أخرى أن البراغي البلاستيكية الحرارية لم تنجح. تم صنع مسامير حامل العينة CRASH-P الأصلية من PEEK ، وكان لا بد من تغيير هذا إلى الفولاذ المقاوم للصدأ. لم يكن الحبس قويا بما فيه الكفاية بسبب توسع مواد PEEK حراريا قبل تحقيق الشارة الذاتية للوقود الداسر.
بالنسبة لبعض التركيبات التي تشتعل في درجات حرارة أعلى ، فإن التركيبات القطنية بشكل رئيسي ، باستخدام حامل حامل وقود الألومنيوم أمر مرغوب فيه لأنها لا تلين في درجات حرارة أعلى. وأخيرا، كانت أجهزة استشعار الضغط الدينامي لبرنامج المقارنات الدولية هي أجهزة استشعار الضغط الأصلية المستخدمة. ومع ذلك ، بعد ~ 10 اختبارات ، حصلت على نتائج صاخبة على نحو متزايد ، وربما من التعرض لدرجة حرارة عالية جدا. وتحولت أجهزة استشعار الضغط الدينامي من أجهزة استشعار برنامج المقارنات الدولية لشحن أجهزة استشعار مكبر الصوت. ومع ذلك، تفقد مستشعرات مكبر الصوت المسؤولة الشحن إذا تركت لفترة طويلة جدا. ولتقليل هذا التأثير إلى أدنى حد، استخدم محول شحنة داخلية من أمبير إلى برنامج المقارنات الدولية في اتجاه المصب في منطقة آمنة لدرجات الحرارة. وبما أن الحد الأقصى لمعدل أخذ العينات من جهاز استشعار الضغط هو 000 500 عينة/ثانية، يمكن تسجيل معدلات أخذ العينات بسرعة أكبر من 000 50 عينة/ثانية. ومع ذلك، لم تكن هناك حاجة لذلك لأن الأحداث لم تكن بهذه السرعة.
Disclosures
وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.
Acknowledgments
ويود المؤلفان أن يشكرا البرنامج المشترك لتكنولوجيا الذخائر المعززة. وكان للسيد أنتوني ديستاسيو وجيفري بروك دور فعال في التأكد من الانتهاء من هذا العمل.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ½ x 24 x 12’ Ceramic Insulative Blanket | Cotronics Corporation | 370-3 | Thermal Insulation for CRASH-P Chamber |
| 20 gauge K-Type Thermocouple | Omega Engineering | EXPP-K-20-SLE-500 | Thermocouple wire for temperature measurements |
| Dynamic Pressure Signal Conditioner | PCB Piezotronics | 482C16 | Converts ICP signal to voltage for data acquisition system |
| Electrical feedthrough of CRASH-P chamber | Conax | ||
| GC-35 Reaction Chamber | High Pressure Equipment Company | GC-35 | Main Reaction Chamber of CRASH-P Test |
| Gen 3i and Perception software | HBM Inc. | Gen3i | Main Data Acquisition System for CRASH-P Data |
| High-Temperature Charge-Amplified Pressure Sensor | PCB Piezotronics | 113B03 | Dynamic Pressure Sensors used in CRASH-P Test |
| In-Line Charge Amp-to-ICP Converter | PCB Piezotronics | 422E53 | Converters pressure sensor charge amp signal to ICP signal |
| Mica Band Heaters | Omega Engineering | MBH00295 | Resistive Element for Heating up CRASH-P Test |
| Quantum X Thermocouple Amplifier | HBM Inc. | 1-MX1609KB | Used for getting Temperature Measurements |
| Teflon Insulated K-type thermocouple (0.02 inch diameter) | Omega Engineering | 5TC-TT-K-24-36 | K-Type Thermocouples |
| Temperature Controller | Omega Engineering | CN3251 | PID Temperature Controller |
References
- 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.
- 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.
- 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.
- 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).
