Summary
Мы представляем протокол для лабораторного испытания медленного приготовления твердотопливного ракетного топлива под названием «Анализ скорости сгорания медленно нагретого топлива» (CRASH-P). Замкнутое ракетное топливо медленно нагревается до самоподготовки, и как температура приготовления, так и резкость реакции измеряются с помощью динамических датчиков давления.
Abstract
Твердотопливое ракетное топливо широко используется для применения в силовых установках военными и космическими агентствами. Несмотря на высокую эффективность, они могут быть опасны для персонала и оборудования при определенных условиях, причем медленный нагрев в ограниченных условиях представляет особую опасность. В этой статье описывается более доступный лабораторный тест, который легче настроить и который был разработан для скрининга ингредиентов ракетного топлива. Ракетное топливо отливается в держатели образцов, которые были спроектированы так, чтобы иметь такое же ограничение, как и стандартные ракетные двигатели (объем топлива к общему объему в контейнере) и гарантируют, что топливо не будет легко вентилируемым. Реакция насилия количественно определяется временем, которое требуется для достижения 90% максимального давления после самоосвождения, что аналогично датчикам избыточного давления взрыва, используемым для измерения насилия в полномасштабном тесте. Наблюдалась положительная корреляция между скоростью и давлением, создаваемыми реакцией, и мощностью, производимой ракетным топливом во время реакции.
Introduction
Твердотопливое ракетное топливо широко используется в оборонных, космических и газогенерирующих приложениях. Они являются относительно надежным топливом, которое выполняет многие функции чрезвычайно хорошо. Однако многие ракетные топлива содержат опасные ингредиенты, такие как перхлолат аммония (AP). Ракетное топливо с этими окислителями может сильно взрываться при медленном нагревании1,2,3. Было несколько громких аварий с медленным нагревом реактивного топлива или ингредиентов ракетного топлива, которые привлекли внимание к этим вопросам, таким как пожар и последующее приготовление боеприпасов на USS Forrestal4 и взрыв PEPCON1. Хотя это, к счастью, редкие события, они могут быть разрушительными из-за потерь персонала и оборудования, которые происходят. Поэтому есть мотивация понять жестокость этих реакций и снизить их, когда это возможно. Одной из основных причин насильственного приготовления с ракетным топливом является то, что многие ингредиенты частично разлагаются, оставляя после себя газы реакционноспособных продуктов вместе с окислителем с увеличенной площадью реакционноспособной поверхности.
Одним из конкретных примеров этого является ионная соль, перхлолат аммония. Низкотемпературное разложение перхлората аммония вытягивается и неполная, оставляя реакционноспособные промежуточные продукты в метательной раме со значительной пористостью и площадью поверхности, доступными для последующих реакций5,6,7,8,9. Кроме того, реактивное топливо, содержащее нитрат аммония и взрывчатые соединения нитрамина, может иметь очень бурные реакции при медленном нагревании10,11,12. Медленное приготовление насилия является важным показателем нечувствительных боеприпасов, потому что многие ракеты по закону обязаны пройти эти испытания13. В настоящее время лучший способ определить, реагирует ли состав ракетного топлива слишком бурно в условиях медленного нагрева, - это провести испытание медленного приготовления (SCO) на полномасштабном ракетном двигателе. Эти испытания включают в себя взятие полноразмерного ракетного двигателя и медленное нагревание его в одноразовой конвекционной печи.
Температурные следы предоставляются в нескольких местах вплоть до реакции, где затем оценивается насилие на основе различных показателей, начиная от повреждения и фрагментации контейнера до простых датчиков избыточного давления и динамических датчиков давления для измерения давления взрыва. Эти полномасштабные испытания часто являются дорогостоящими и непрактичными для изучения незначительных изменений в ингредиентах топлива14. Было разработано несколько лабораторных испытаний, которые включают нагревание топлива или взрывчатых веществ в различных конфигурациях и оценку повреждений контейнеров после события автоприведения. Хотя современные лабораторные тесты предсказывают время для хорошего приготовления, а иногда и температуру самоусиливания15,16,17,они менее способны предсказать насилие.
Одним из широко используемых испытаний является испытание18 с переменным конфайнментом, которое медленно нагревает цилиндр с топливом до тех пор, пока он не воспламенится. Буйность реакции определяется фрагментацией камеры и болтов во время экзотермической реакции самоусиливания. Наиболее распространенные лабораторные тесты используют конечное условие камеры для ранжирования реакции насилия, и существует определенная степень субъективности оценки. Небольшие различия в реакции насилия трудно определить. Эта оценка насилия является качественной по своей природе, и может быть трудно оценить, изменило ли изменение компонента формулировки насилие ШОС. Кроме того, в отличие от реального ракетного двигателя, текущие лабораторные испытания не ограничивают топливо внутри корпуса. Продуктовые газы могут легко выходить, и это важно, потому что газы могут реагировать с метательным топливом неоднородно или быть реактивными сами по себе, как в случае аммиака и хлорной кислоты, если используется перхлолат аммония.
Одним из лучших усилий в приборном испытании в лабораторных масштабах было использование динамического датчика давления на маломасштабной бомбе19. Это позволило определить более высокие разрешения, поддающиеся количественной оценке различия в реакции насилия для относительно незначительных изменений в составе ракетного топлива. Однако критическая проблема с этим испытанием заключается в том, что он не ограничивал ракетное топливо таким же образом, как фактический ракетный двигатель, и многочисленные эксперименты по моделированию и подмасштабу показали, что это важный фактор для рассмотрения20. Кроме того, топливо обычно не имеет такой же площади открытой поверхности или такого же свободного объема и не ограничено геометрически таким же образом, как полномасштабное испытание. Анализ скорости сгорания теста на медленно нагретое топливо (CRASH-P) был задуман для улучшения этих предыдущих испытаний. Образцы от 25 г до 100 г могут быть испытаны в условиях удержания топлива, аналогичных условиям полномасштабного испытания21. Он также предоставляет средства количественного измерения мощности, полученной в результате события реакции, с помощью динамических измерений датчика давления, чего не обеспечивают современные подмасштабные испытания. Было обнаружено, что результаты хорошо коррелируют с полномасштабными тестами ШОС.
Protocol
1. Пробоподготовка топлива
- Тщательно смешайте ингредиенты топлива (полимерную смолу, пластификаторы и частицы твердого топлива и окислителя) вместе во вращающемся планетарном смесителе в течение определенного времени.
ПРИМЕЧАНИЕ: Продолжительность перемешивания зависит от конкретного состава, но большинство смесей занимают не менее 2 ч. - Отлите неотвержённым реактивным топливом в специально изготовленный держатель образца CRASH-P. Поместите политетрафторэтиленовую оправку в центр держателя образца во время литья, чтобы создать центральную перфорацию при отверждении топлива. Используйте держатель оправки(рисунок 1),чтобы обеспечить прямую и последовательную перфорацию центра в пропелленте.
ПРИМЕЧАНИЕ: Держатели образцов CRASH-P должны иметь тот же объем топлива к объему внутренней камеры, что и фактический ракетный двигатель, чтобы имитировать ограничение топлива полномасштабного ракетного двигателя. Держатели образцов CRASH-P изготавливаются из полиэфирового эфира кетона (PEEK) или алюминия. Хотя ракетные составы без металлического топлива могут использовать PEEK, металлизированные составы должны использовать алюминиевые держатели, чтобы они не плавились преждевременно во время самооспламенения. - Поместите образцы CRASH-P в печь для ускорения любых полиуретановых реакций или другой химии, необходимой для отверждения топлива. Поддерживайте температуру печи на уровне 60 °C для отверждения уретана и увеличивайте или уменьшайте температуру в зависимости от ингредиентов ракетного топлива.
- После отверждения пропеллентов обрежьте их таким образом, чтобы избыток топлива не выступал из поверхности держателя образца и не мешал торцевой уплотнительной кольце. Безопасно извлеките оправку из каждого состава, осторожно вытащив ее.
ПРИМЕЧАНИЕ: Топливо должно быть обрезано лезвием бритвы или другим острым предметом, чтобы свести к минимуму истирание трения о поверхность топлива. - Поместите силиконовое уплотнительное кольцо внутрь торца держателя образцов CRASH-P для надлежащего уплотнения под давлением(рисунок 1).
ПРИМЕЧАНИЕ: Размер уплотнителяющего кольца зависит от размера держателя образца CRASH-P. Например, уплотнительное кольцо размером 025 используется для теста 25 г, а уплотнительное кольцо размером 128 используется для теста на 50 г. - Прикрепите крышку к держателю образца CRASH-P и затяните его гаечным ключом Allen. Затяните болты в звездчатом рисунке, чтобы распределить усилие уплотнения более равномерно.
2. Подготовка камеры CRASH-P
- Убедитесь, что камера CRASH-P не находится под давлением, открыв выпускной клапан, прикрепленный к камере CRASH-P. Снимите крышку камеры, колпачок и шайбу тяги с корпуса CRASH-P. Прикрепите планку к колпачку CRASH-P для хранения образцов CRASH-P.
- Очистите камеру CRASH-P, чтобы удалить следы последнего испытания. Очистите все остатки горения проволочной щеткой и очистите камеру органическим растворителем, таким как этанол, изопропанол, ацетон или метилэтилкетон. Утилизируйте любые одноразовые чистящие средства в качестве опасных отходов в соответствии с местными и национальными правилами.
ПРИМЕЧАНИЕ: Средства индивидуальной защиты следует использовать при очистке перечисленными растворителями, такими как защита глаз, соответствующее лабораторное покрытие или химически стойкие перчатки. - Проверьте динамические датчики давления CRASH-P на предмет необычного износа.
ПРИМЕЧАНИЕ: Датчики используют утопленное крепление с камерой CRASH-P, поскольку они могут выдерживать только максимальную температуру 204 ° C для предотвращения повреждения их внутренней электроники. Эти высокотемпературные датчики с усилением заряда используют нисходящий преобразователь (см. Таблицу материалов)для изменения сигнала на пьезоэлектрический сигнал интегральной схемы (ICP). - Снимите 1/8-дюймовые фитинги American National Pipe Thread (NPT), которые прикрепляют датчики давления к основному корпусу CRASH-P. Очистите все остатки горения шпателем или органическим растворителем. Отсоедрите датчик давления от муфты ДНЯО.
- Наполните муфту NPT силиконовым герметиком вулканизации при комнатной температуре. Продень датчик давления обратно внутрь, убедившись, что часть герметика экструдирована. Протрите герметик, чтобы он был заподлицо с 1/8-дюймовым фитингом NPT.
- Дайте герметику отверждаться не менее 12 ч. Переустановите датчики давления, связанные с NPT, чтобы защитить датчики от вызванных взрывом температурных ошибок в показаниях динамического давления.
- Подготовьте электрические проходы для температурной диагностики. Снимите провода термопары с их изоляции и прогоняйте голые провода через сквозную изоляционную втулку.
ПРИМЕЧАНИЕ: Модель и тип электрических проходов будут варьироваться в зависимости от калибра провода и количества необходимых проходов. Смотрите таблицу материалов для электрических проходов, используемых в камере CRASH-P. - Для испытания CRASH-P используйте стандартные термопары типа K, поскольку температура и частота отбора проб в ходе испытания являются довольно стандартными. Установите соединение для сопряжения на другом конце сквозного прохода.
ПРИМЕЧАНИЕ: По соображениям производительности рекомендуется делать несколько электрических проходов. - Продените два электрических прохода через крышку камеры. Оставьте не менее 0,3 м термопары для каждого прохода внутри камеры. Убедитесь, что бисерная сторона термопар находится внутри камеры CRASH-P.
3. Установка образцов топлива
- Прикрутите герметичный образец CRASH-P к стальнойдоске (рисунок 2B),прикрепленной к крышке камеры испытания CRASH-P, чтобы сохранить образец в середине камеры.
ПРИМЕЧАНИЕ: Обеспечение того, чтобы образец находится в середине камеры, не касаясь стенки сосуда, гарантирует, что образец нагревается конвекцией, а не проводимой. - Поместите одну из термопар из электрических проходов внутрь держателя пробы пропеллента, чтобы захватить любые экзотермические реакции. Поместите еще одну термопару на стальную доску, указывая вверх на температуру воздуха внутри камеры CRASH-P(рисунок 2). Убедитесь, что термопара, отбирающая температуру воздуха, является управляющая термопара для регулятора температуры.
- Поместите уплотнительное кольцо в кольцевой отступ камеры CRASH-P. Убедитесь, что уплотнительное кольцо очищено от мусора посторонних предметов.
- После того, как образец будет надежно закреплен на доске и термопары будут размещены должным образом, вставьте крышку камеры в корпус камеры. Позаботьтесь о том, чтобы не поворачивать крышку камеры, отмечая крышку камеры.
- Используйте цилиндрический стержень, чтобы вставить упорную шайбу и полностью натянуть резьбу и затянуть стопорную головку на камеру.
- Установите шестигранный болт винтов 7/8"-9 в головку камеры. Затяните их в звездчатом рисунке, чтобы камера была затянута равномерно. Используйте динамометровый ключ для окончательного затяжки камеры, чтобы обеспечить равномерное уплотнение.
ПРИМЕЧАНИЕ: Как правило, 169,48 Н∙м достаточно для равномерного уплотнения. - Установите зажимы для крепления камеры и удерживайте их на месте с помощью штифтов дюбеля. При необходимости используйте резиновый молоток, чтобы обеспечить плотное прилегать к моллюску и предотвратить вертикальное перемещение из камеры.
- Установите торевую пластину камеры, прикрепив ее болтами к испытательному столу, чтобы предотвратить осевое движение при испытании CRASH-P во время события зажигания.
- Подключите коаксиальные кабели динамического датчика давления к кондиционеру сигнала. Подключите электрические нагреватели(рисунок 2D)к розеткам, которые подключаются к регуляторам температуры, чтобы регуляторы диапазона могли управляться регулятором температуры, который подает питание нагревателям 220 В переменного тока.
4. Настройка и проверка контрольно-измерительных приборов
- Запрограммировать регулятор температуры (требующий питания 120 В переменного тока) таким образом, чтобы он передавал сигнал 24 В на твердотельное реле - переключатель, который определяет, когда включена или выключена тепловая мощность.
ПРИМЕЧАНИЕ: Как и любой тест на приготовление пищи, программирование регулятора температуры имеет решающее значение для проведения надежных тестов. - Настройте регулятор температуры перед испытанием, чтобы получить соответствующие характеристики нагрева.
ПРИМЕЧАНИЕ: Пропорциональный коэффициент усиления, интегральные характеристики и скорость должны быть установлены для минимизации колебаний и превышения. - Установите значения температуры, необходимые для 16 временных интервалов на регуляторе температуры. Используйте первые три интервала, чтобы установить пандус и период замачить, когда температура поддерживается на уровне 50 °C в течение не менее 2 ч. Затем введите интервалы для подачи точек данных для испытания, чтобы иметь линейный профиль нагрева, который не изменяет наклон во время испытания (целью является 15 °C/ч), и установите конечную температуру на 300 °C.
- Убедитесь, что впускной и выходной провода подключены к кондиционеру динамического сигнала давления. Включите динамический кондиционер сигнала давления. Если шорты не указаны, переходите к следующему шагу.
ПРИМЕЧАНИЕ: Красный свет загорается для короткого датчика. - Используйте три термопары K-типа, концы которых заканчиваются внутри термопары усилителя, и убедитесь, что усилитель включен. Включите камеру мониторинга для теста, чтобы записать тест CRASH-P по видео, чтобы операторы могли видеть, происходит ли что-либо с камерой удаленно. Включите электропитающие нагреватели на консоли управления(рисунок 3)и включите регулятор температуры, чтобы запустить тест удаленно.
- На странице CTRL регулятора температуры включите параметр RSEN. Нажмите кнопку aux на регуляторе температуры, чтобы изменить условие испытания с режима ожидания на запуск, чтобы тест начал нагревать камеру.
5. Сбор данных и очистка тестов
- Постройте рабочий стенд в программном обеспечении системы сбора данных для настройки двух различных областей для сбора тестовых данных: одна для измерения давления основной платой, а другая для температур, измеряемых для усилителя термопары(рисунок 3).
- Проверьте систему сбора данных, чтобы увидеть, было ли спровоцировано событие, которое подразумевает, что образец испытал экзотермическую реакцию и может быть остановлен. Настройте систему на запуск механизма развертки таким образом, чтобы после достижения порогового напряжения частота дискретизации под давлением составляла от одного образца в секунду до 50 000 образцов / с для точного разрешения работы, выполняемой реагирующим образцом во время самовооплавания.
ПРИМЕЧАНИЕ: Инертные тесты должны быть проведены заранее, чтобы выяснить, как контролировать скорость нагрева. Датчики с усилением заряда могут отбирать образцы со скоростью до 500 000 образцов / с, но эта скорость обычно не требуется для этого теста. - Если наблюдается экзотермическая реакция, нажмите кнопку остановки в программном обеспечении для сбора данных. Поскольку сбор данных не заканчивается сам по себе, периодически проверяйте тест, чтобы проверить либо температурный экзотерм, либо срабатывающий отклик давления. Если что-либо из этого соблюдается, вручную остановите запись и выключите регулятор питания, видео и температуры нагревателя.
- Вручную экспортируйте данные о температуре и давлении в текстовые файлы с разделителями табуляции, убедившись, что данные о давлении и температуре экспортируются отдельно из-за разной частоты дискретизации. Перенесите текстовые файлы на другой компьютер для выполнения анализа данных о результатах.
- Подождите не менее 12 ч, пока тест остынет, прежде чем разбирать испытательную камеру. Вентиляционная камера для высвобождения любых газов продукта из экзотермической реакции. Тщательно разберите испытательную камеру.
ПРИМЕЧАНИЕ: Ношение средств индивидуальной защиты - химического / огнестойкого лабораторного халата, соответствующих перчаток и респиратора - в качестве ракетных топлив могут быть опасными. - Очистите камеру и все компоненты и захватите фрагменты контейнера для образцов держателя образца.
6. Анализ данных CRASH-P
ПРИМЕЧАНИЕ: Анализ данных состоит из фактических температурных следов и данных о срабатывании динамического давления. Система сбора данных отмечает местоположение триггера, и пользователь может видеть время, когда это произошло. Триггер соответствует динамическому значению давления, которое на 5% выше базового уровня.
- Остановите запись в программном обеспечении и экспортируйте данные о температуре и давлении в текстовые файлы с разделителями табуляции.
- Откройте текстовые файлы с помощью графического программного обеспечения. Проверьте данные о температурных экзотермах, по которым можно определить температуру воспламенения, и проверьте, как быстро в камере повышается давление.
- Сравните результаты CRASH-P с полномасштабными тестовыми данными SCO для тестируемой формулировки, если таковые имеются. Сравните температуру самоподгоражения и реакцию насилия.
Representative Results
Чтобы помочь читателю визуализировать, как подсистемы теста CRASH-P взаимодействуют друг с другом, экспериментальная схема показана на рисунке 4. Термопары внутри камеры CRASH-P управляют подачей данных в систему сбора данных через термопарный усилитель. Регулятор температуры управляет электрическим реле, которое включает и выключает электрические нагреватели. Это обеспечивает достижение правильного профиля нагрева для образца ракетного топлива. При самоподгонках образца система сбора данных инициирует сбор высокоскоростных динамических данных о давлении при 50 000 образцов/с. Затем тест заканчивается, данные сохраняются, а система контроля температуры отключается. По про истечении не менее 12 ч камера CRASH-P должна быть при комнатной температуре, и любые газы продукта могут быть истощены.
Типичные репрезентативные результаты приведены на рисунке 5. Система сбора данных обеспечивает температурные следы для внутреннего воздуха камеры и температуры внутреннего топлива. Незначительные экзотермические реакции до воспламенения часто измеряют вместе с основной экзотермической реакцией. Обычно экзотермическая реакция недостаточно бурна, чтобы сломать бусину термопары, поэтому все событие может быть захвачено. Кроме того, показания динамического давления для реакции регистрируются для передних, задних и задних динамических манометров. Как и большинство лабораторных мероприятий по приготовлению пищи, состояние контейнера для образца после реакции может быть оценено на наличие повреждений(рисунок 5C). Наконец, рисунок 5D показывает, что может быть довольно большая степень измеренных вариаций в реакции насилия различных образцов топлива, что позволяет количественно оценить и сравнить насилие для различных реакций. В целом, более быстрые реакции давления имели больший разброс или шум в данных о давлении(рисунок 5D),что согласуется с большим колебанием камеры из-за более сильной реакции.
Рисунок 1:Подготовка и герметизация образцов CRASH-P. (A) Ингредиенты ракетного топлива смешиваются в планетарном смесителе. (B)Ракетное топливо отливается в держатель образца с политетрафторэтиленовой оправкой. (C)Образцы топлива обрезаются, и уплотнительное кольцо помещается в контейнер для целей герметизации. (D)Контейнер для образцов герметизирован и закреплен болтами. Конфайнмент образцов такой же, как и у реальных ракетных двигателей. Аббревиатура: CRASH-P = Анализ скорости сгорания медленно нагреваемого топлива. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2:Загрузка образца и подготовка теста CRASH-P. Размещение образцов имеет решающее значение. (A)Образцы помещаются на доску и централизованно нагреваются естественной конвекцией во время испытаний. (B) Образец закрепивается болтами и удерживается на месте на доске. (C)Термопары размещаются на доске и внутри образца топлива для контроля температуры и диагностических целей. (D)Камера CRASH-P герметична, а ленточные нагреватели подключены к источнику питания 220 В переменного тока, управляемому регулятором температуры. Аббревиатура: CRASH-P = Анализ скорости сгорания медленно нагреваемого топлива. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3:Контрольно-измерительные приборы и сбор данных для испытания CRASH-P. (A) Динамический кондиционер сигнала давления, (B) усилитель термопары, (C) контроль испытательного нагрева и (D) сбор данных во время испытания. . Аббревиатура: CRASH-P = Анализ скорости сгорания медленно нагреваемого топлива. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4:Экспериментальная схема теста CRASH-P. Система контроля температуры контролирует скорость нагрева. Динамические датчики давления количественно оценивают реакцию события самосвинжения, а система сбора данных записывает все эти тестовые данные для эксперимента. CRASH-P = Анализ скорости сгорания медленно нагреваемого топлива. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5:Репрезентативные данные теста для тестового запуска CRASH-P. (A) Температурные следы во время теста. (B)Задние, задние и передние динамические показания давления. (C)Контейнер для образцов CRASH-P после испытания. (D)Сопоставление показаний динамического давления фронта для шести различных составов ракетного топлива. CRASH-P = Анализ скорости сгорания медленно нагреваемого топлива. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Discussion
Одной из наиболее важных частей создания теста CRASH-P было решение о том, какую метрику испытания лучше всего использовать для количественной оценки силы реакции составов ракетного топлива. Скорость и величина давления, создаваемого реакцией, прямо пропорциональны мощности, вырабатываемой реактивным топливом при реакции. Он также непосредственно аналогичен датчику избыточного давления взрыва, используемому в полномасштабном испытании SCO. Первоначально использовалась скорость герметизации (dP/dt), но эти данные вводили в заблуждение, поскольку различные составы содержат разное количество топлива и окислителя и производят разное количество газа с различным составом. Чтобы свести к минимуму это смещение от последствий изменения ингредиентов состава, вместо этого было использовано время до 90% пикового давления, и оно хорошо коррелировало с полномасштабным тестовым насилием SCO.
Еще одной операцией по тестированию, которая была признана важной, является лишение свободы. Ранние держатели образцов были изготовлены из термопластичных материалов, предназначенных для обработки высоких температур теста. К сожалению, хотя эти образцы не плавились, они размягчились и не обеспечивали такого же удержания, как металлические держатели образцов. Реакция насилия для этих образцов была заметно меньше, чем реакция насилия для держателей металлических образцов. Еще один ключевой вывод об испытании заключался в том, что некоторые составы ракетного топлива имели критические размеры для надежного автоигнита. Алюминированные составы испытывали трудности с приготовлением и автофортинированием, если они были менее 50 г. Это было связано с требованием порогового количества перхлората аммония, которое требовалось для насильственной реакции. Кроме того, еще одно понимание заключалось в том, что термопластичные болты не работают. Оригинальные болты держателя образца CRASH-P были изготовлены из PEEK, и их пришлось заменить на нержавеющую сталь. Конфайнмент был недостаточно прочным из-за того, что материал PEEK термически расширялся до того, как было достигнуто самоогнивание топлива.
Для некоторых составов, которые воспламеняются при более высоких температурах, в основном алюминированных составов, желательно использовать алюминиевый корпус держателя пропеллента, поскольку они не размягкаются при более высоких температурах. Наконец, динамические датчики давления ICP были оригинальными датчиками давления. Однако после ~ 10 тестов результаты становились все более шумными, вероятно, из-за воздействия слишком высокой температуры. Динамические датчики давления были переключенные с датчиков ICP на датчики усилителя заряда. Однако датчики усилителя заряда теряют заряд, если их оставить включенной слишком долго. Чтобы свести к минимуму этот эффект, в потоке использовался встроенный преобразователь заряда от усилителя к ICP при безопасной температурной области. Поскольку максимальная частота дискретизации датчика давления составляет 500 000 образцов/с, можно регистрировать частоту дискретизации быстрее, чем 50 000 проб/с. Однако в этом не было необходимости, так как события были не такими быстрыми.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Авторы хотели бы поблагодарить Совместную программу усовершенствованных технологий боеприпасов. Г-н Энтони ДиСтазио и Джеффри Брок сыграли важную роль в обеспечении завершения этой работы.
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. 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).
