Summary
Vi præsenterer en protokol for en laboratorie-skala langsom cook-off test for fast raket drivmidler kaldet forbrændingshastighed analyse af en langsomt opvarmet drivmiddel (CRASH-P) test. Indelukkede raketbrændstofmidler opvarmes langsomt indtil autoignition, og både cook-off temperaturen og reaktionsvolden måles med dynamiske tryksensorer.
Abstract
Faste raketbrændstofmidler anvendes i vid udstrækning til fremdriftsapplikationer af militære og rumagenturer. Selvom de er meget effektive, kan de være farlige for personale og udstyr under visse forhold, hvor langsom opvarmning under begrænsede forhold er en særlig fare. Dette papir beskriver en mere overkommelig laboratorietest, der er lettere at sætte op og blev udviklet til screening raket drivmiddel ingredienser. Raketbrændstoffrydningsmidler kastes i prøveholdere, der er konstrueret til at have samme indeslutning som standardraketmotorer (drivvolumen til det samlede volumen i beholderen) og sikrer, at drivmidlet ikke let kan udluftes. Reaktionsvold kvantificeres af den tid, det tager at nå 90% af det maksimale tryk efter autoignition, hvilket svarer til blast overtryksmålere, der bruges til at måle vold i en fuldskalatest. Der blev observeret en positiv korrelation mellem den hastighed og det tryk, der frembringes af reaktionen, og den effekt, som raketbrændstoft frembringer under reaktionen.
Introduction
Solide raketbrændstofmidler bruges i vid udstrækning i forsvars-, rum- og gasgenererende applikationer. De er relativt pålidelige brændstoffer, der udfører mange funktioner ekstremt godt. Mange raketbrændstoffnedmidler indeholder dog farlige ingredienser som ammoniumperchlorat (AP). Raketbrændstof med disse oxidatorer kan eksplodere voldsomt, når langsomt opvarmet1,2,3. Der har været flere højt profilerede ulykker med den langsomme opvarmning af raket drivmiddel eller raket drivmiddel ingredienser, der har henledt opmærksomheden på disse spørgsmål såsom brand og efterfølgende cook-off af ammunition på USS Forrestal4 og PEPCON eksplosion1. Selvom disse heldigvis er sjældne begivenheder, kan de være ødelæggende på grund af det personale og udstyrstab, der opstår. Derfor er der motivation til at forstå volden i disse reaktioner og drive dem ned, når det er muligt. En af hovedårsagerne til voldsomme cook-off begivenheder med raket drivmiddel er, at mange af ingredienserne delvist nedbrydes, forlader reaktive produktgasser bag sammen med oxidator med en forbedret reaktiv overfladeareal.
Et specifikt eksempel på dette er det ioniske salt, ammoniumperchlorat. Nedbrydningen ved lav temperatur af ammoniumperchlorat trækkes ud og er ufuldstændig, hvilket efterlader reaktive mellemprodukter inden for en drivmiddelramme med betydelig porøsitet og overfladeareal til rådighed for efterfølgende reaktioner5,6,7,8,9. Derudover kan raketbrændstof, der indeholder ammoniumnitratra og eksplosive nitramineforbindelser, have meget voldsommereaktioner,når de opvarmes langsomt10,11,12. Langsom cook-off vold er en vigtig ufølsom ammunition metrisk, fordi mange raketter er forpligtet ved lov til at bestå disse tests13. I øjeblikket er den bedste måde at afgøre, om en raket drivmiddel formulering reagerer for voldsomt under langsom opvarmning betingelser er at køre en langsom cook-off (SCO) test på en fuld-skala raketmotor. Disse tests indebærer at tage en fuld størrelse raketmotor og varme det langsomt i en engangs konvektion ovn.
Temperaturspor leveres flere steder indtil reaktionen, hvor volden derefter vurderes ud fra forskellige indikatorer lige fra containerskader og fragmentering til enkle overtryksmålere og dynamiske tryksensorer til måling af eksplosionstryk. Disse fuldskalatests er ofte dyre og er ikke praktiske til undersøgelse af mindre ændringer i drivmiddelingredienser14. Der er udviklet nogle få laboratorieundersøgelser, der involverer opvarmning af drivmidler eller sprængstoffer i en række konfigurationer og vurdering af containerskader efter autoignitionshændelsen. Selv om de nuværende laboratorie-skala tests forudsige tid til at cook-off godt og undertiden autoignition temperatur15,16,17, de er mindre i stand til at forudsige volden.
En almindeligt anvendt test er den variable indeslutningsafkogetest18, der langsomt opvarmer en cylinder drivmiddel, indtil den antændes. Reaktionens vold bestemmes af fragmenteringen af kammeret og boltene under den eksoterme autoignitionsreaktion. De mest almindelige laboratorieundersøgelser bruger kammerets endelige tilstand til at rangere reaktionsvold, og der er en vis subjektivitet i vurderingen. Små forskelle i reaktionsvold er vanskelige at afgøre. Denne vurdering af vold er kvalitativ karakter, og det kan være vanskeligt at vurdere, om en ændring i en formulering ingrediens ændret SCO vold. I modsætning til en faktisk raketmotor begrænser de nuværende laboratorieundersøgelser desuden ikke drivmidlet inde i en sag. Produktgasser kan let undslippe, og det er vigtigt, fordi gasserne kan reagere med drivmidlet heterogent eller være reaktive selv, som det er tilfældet med ammoniak og perchlorsyre, hvis der anvendes ammoniumperchlorat.
En af de bedste bestræbelser på at instrumentere en laboratorieskala test involverede brugen af en dynamisk tryksensor på en lille kok-off bombe19. Dette gjorde det muligt at bestemme større opløsningsforskelle, kvantificerbare forskelle i reaktionsvold, for relativt små ændringer i raketbrændstofformuleringen. Et kritisk problem med denne test er imidlertid, at den ikke begrænsede raketbrændstofferne på samme måde som en faktisk raketmotor, og adskillige modellerings- og underskalaforsøg har vist, at dette er en vigtig faktor til overvejelse20. Desuden har drivmidlet normalt ikke samme mængde eksponeret overfladeareal eller samme frie volumen og er ikke geometrisk begrænset på samme måde som en fuldskalatest. Forbrændingshastighedsanalysen af en langsomt opvarmet drivmiddeltest (CRASH-P) blev udtænkt for at forbedre disse tidligere test. Prøver på mellem 25 g og 100 g kan testes under lignende drivmiddel indeslutningsforhold som en fuldskalatest21. Det giver også et middel til at måle den effekt, der produceres fra reaktionshændelsen kvantitativt gennem dynamiske tryksensormålinger, hvilket er noget, som de nuværende subskalatest ikke giver. Resultaterne har vist sig at korrelere godt med fuldskala SCO test.
Protocol
1. Prøveforberedelse af drivmiddel
- Bland forsigtigt drivmiddelingredienser (polymerharpiks, blødgøringsmidler og fast brændsel og oxidationsmiddelpartikler) sammen i en roterende planetarisk mixer i en bestemt varighed.
BEMÆRK: Varigheden af blandingen afhænger af den specifikke formulering, men de fleste blandinger tager mindst 2 timer. - Støbt uhærdet raketbrændstof i en specialfremstillet CRASH-P prøveholder. Placer en polytetrafluorethylen mandrel i midten af prøveholderen, mens støbning for at skabe et center perforering, når drivmiddel hærder. Brug en mandrelholder (Figur 1) for at sikre, at den midterste perforering i drivmidlet er lige og konsistent.
BEMÆRK: CRASH-P prøveholdere skal skaleres til at have samme drivmiddelvolumen til internt kammervolumen som en faktisk raketmotor for at efterligne drivmiddel indeslutning af en fuldskala raketmotor. CRASH-P prøveholdere er lavet af polyether ether keton (PEEK) eller aluminium. Selv om raketformuleringer uden metalbrændstof kan bruge PEEK, bør metalliserede formuleringer bruge aluminiumsholdere, så de ikke smelter for tidligt under autoignition. - Placer CRASH-P prøver i en ovn for at fremskynde eventuelle polyurethanreaktioner eller anden kemi, der kræves for at helbrede drivmidlet. Hold ovntemperaturen ved 60 °C for urethankure, og øg eller reducer temperaturen afhængigt af raketbrændstofingredienserne.
- Når drivmidlerne er hærdet, trimmes de, så overskydende drivmiddel ikke stikker ud af prøveholderens overflade og forstyrrer O-ring-ansigtsforseglingen. Fjern sikkert mandrel fra hver formulering ved forsigtigt at trække den ud.
BEMÆRK: Drivmidlet skal trimmes med et barberblad eller en anden skarp genstand for at minimere friktionsafskrabning mod drivmiddeloverfladen. - Placer en silikone O-ring inde i CRASH-P prøveholderens ansigt for at få en korrekt trykforsegling(figur 1).
BEMÆRK: O-ring-størrelsen varierer afhængigt af størrelsen på CRASH-P-prøveholderen. For eksempel bruges en O-ring i størrelse 025 til 25 g-testen, og en O-ring i størrelse 128 bruges til 50 g testen. - Bolt dækslet fast på CRASH-P prøveholderen, og stram det med en Allen skruenøgle. Stram boltene i et stjernemønster for at fordele tætningskraften mere jævnt.
2. CRASH-P kammer forberedelse
- Sørg for, at CRASH-P-kammeret ikke er under tryk ved at åbne udstødningsventilen, der er fastgjort til CRASH-P-kammeret. Fjern kammerdækslet, hætten og trykvaskeren fra CRASH-P-kroppen. Fastgør en planke til CRASH-P-hætten til opbevaring af CRASH-P-prøverne.
- Rengør CRASH-P kammeret for at fjerne spor af den sidste test. Skrub alle forbrændingsrester med en trådbørste, og rengør kammeret med et organisk opløsningsmiddel som ethanol, isopropanol, acetone eller methyletylketon. Eventuelle engangsrengøringsmaterialer bortskaffes som farligt affald i henhold til lokale og nationale bestemmelser.
BEMÆRK: Personlige værnemidler bør anvendes ved rengøring med de anførte opløsningsmidler, såsom øjenværn, en passende laboratoriefrakke eller kemisk resistente handsker. - Undersøg CRASH-P dynamiske tryksensorer for usædvanlig slitage.
BEMÆRK: Sensorerne bruger en forsænket montering med CRASH-P-kammeret, fordi de kun kan håndtere en maksimal temperatur på 204 °C for at forhindre skader på deres interne elektronik. Disse højtemperatursensorer med ladningsforstærkning bruger en downstream-konverter (se materialetabellen)til at ændre signalet til et integreret kredsløbs piezoelektrisk (ICP) signal. - Fjern 1/8 tommer American National Pipe Thread (NPT) fittings, der fastgør tryksensorerne til CRASH-P hovedkroppen. Rengør eventuelle forbrændingsrester med en spatel eller et organisk opløsningsmiddel. Utrådet tryksensoren fra NPT-koblingen.
- Fyld NPT-koblingen med stuetemperatur, der vulkaniserer silikoneforseglingsmiddel. Tråd tryksensoren ind igen, og sørg for, at noget af fugemassen er ekstruderet. Tør fugemassen af, så den flugter med 1/8 tommer NPT-montering.
- Lad fugemassen hærde i mindst 12 timer. Geninstaller de NPT-koblede tryksensorer for at beskytte sensorerne mod eksplosionsinducerede temperaturfejl i de dynamiske trykaflæsninger.
- Forbered elektriske gennemføringer til temperaturdiagnostik. Fjern termoelementledningerne i deres isolering, og kør de nøgne ledninger gennem foderet gennem isolerende ærme.
BEMÆRK: Modellen og typen af de elektriske gennemføringer varierer afhængigt af trådmåleren og de nødvendige mængder af tilspændingsgennemføringer. Se materialetabellen for de elektriske gennemføringer, der anvendes i CRASH-P-kammeret. - Brug standard termoelementer af K-typen til CRASH-P-testen, da testens temperatur og prøvetagningshastigheder er ret standard. Installer en parringsforbindelse i den anden ende af feedthrough.
BEMÆRK: Af produktivitetsmæssige årsager opfordres det til at foretage flere elektriske gennemføringer. - Tråd de to elektriske gennemføringer gennem kammerhætten. Der skal være mindst 0,3 m termoelement for hver gennemføring inde i kammeret. Sørg for, at den beaded side af termoelementerne er inde i CRASH-P kammer.
3. Prøveinstallation af drivmiddel
- Bolt den forseglede CRASH-P-prøve fast på stålplanken (Figur 2B), der er fastgjort til kammerhætten på CRASH-P-testen for at holde prøven i midten af kammeret.
BEMÆRK: At sikre, at prøven er i midten af kammeret uden at røre karvæggen sikrer, at prøven opvarmes ved konvektion i stedet for ledning. - Placer et af termoelementerne fra de elektriske gennemføringer inde i drivmiddelprøveholderen for at opfange eventuelle eksoterme reaktioner. Placer et andet termoelement på stålplanken, og peg op for at prøve lufttemperaturen inde i CRASH-P-kammeret (Figur 2). Sørg for, at termoelementet, der prøver lufttemperaturen, er det styrende termoelement til temperaturregulatoren.
- Placer tætningsringen i den ringlignende indrykning på CRASH-P-kammeret. Sørg for, at forseglingsringen er ren for fremmedlegemer.
- Når prøven er fastgjort korrekt på planken, og termoelementerne er placeret korrekt, skubbes kammerhætten ind i kammerets krop. Pas på ikke at rotere kammerhætten ved at markere kammerhætten.
- Brug en cylindrisk stang til at indsætte trykvaskeren og helt tråd og stramme fastholdende hoved på kammeret.
- Installer 7/8 "-9 sæt skruer hex bolt ind i kammerhovedet. Stram dem i et stjernemønster for at sikre, at kammeret strammes jævnt. Brug en momentnøgle til den endelige kammerstramning for at sikre ensartet forsegling.
BEMÆRK: Generelt er 169,48 N∙m tilstrækkelige til ensartet forsegling. - Installer kammerholder klemmer, og hold dem på plads med dyvel stifter. Brug om nødvendigt en gummihammer til at sikre en tæt pasform til muslingen og forhindre lodret bevægelse fra kammeret.
- Kammerets endeplade monteres ved at bolte den fast til testbordet for at forhindre CRASH-P-testen i at bevæge sig aksialt under en antændelseshændelse.
- Tilslut de dynamiske tryksensorkabler til signalbals balsam. Tilslut de elektriske båndvarmere (Figur 2D) til de stikkontakter, der tilsluttes temperaturregulatorerne, så båndvarmerne kan styres af en temperaturregulator, der leverer 220 VAC-strøm til varmeapparaterne.
4. Opsætning og kontrol af testinstrumentering
- Programmer temperaturregulatoren (kræver 120 VAC-strøm), så den sender et 24 V-signal til et solid state-relæ- en switch, der bestemmer, hvornår varmeeffekten tændes eller slukkes.
BEMÆRK: Som enhver cook-off test er programmering af temperaturregulatoren afgørende for at køre pålidelige tests. - Stil temperaturregulatoren før testen for at få de relevante varmeegenskaber.
BEMÆRK: Den proportionale gevinst, integrerede egenskaber og hastighed bør alle indstilles til at minimere svingninger og overskridelse. - Angiv de temperaturværdier, der skal bruges til de 16 tidsintervaller på temperaturregulatoren. Brug de første tre intervaller til at opsætte en rampe og blødgøringsperiode, hvor temperaturen holdes ved 50 °C i mindst 2 timer. Angiv derefter intervallerne for at angive datapunkterne for testen for at få en lineær varmeprofil, der ikke ændrer hældning under testen (15 °C/h er målet), og sæt den endelige temperatur til 300 °C.
- Sørg for, at indløbs- og udløbsledningerne er tilsluttet den dynamiske tryksignalbalsal. Tænd den dynamiske tryksignalbalsal. Hvis der ikke er angivet nogen shorts, skal du gå videre til næste trin.
BEMÆRK: Der lyser rødt lys for en kortsluttet sensor. - Brug tre termoelementer af K-typen, hvis ender ender inde i en termoelementforstærker, og sørg for, at forstærkeren er tændt. Tænd for overvågningskameraet til testen for at optage CRASH-P-testen via video, så operatørerne kan se, om der sker noget med kammeret eksternt. Tænd for den elektriske strøm til varmeapparaterne på kontrolkonsollen (Figur 3), og tænd temperaturregulatoren for at køre testen eksternt.
- Tænd RSEN på temperaturstyringens CTRL-side. Tryk på aux-knappen på temperaturregulatoren for at ændre testtilstanden fra standby til kørsel, så testen begynder at opvarme kammeret.
5. Dataindsamling og testoprydning
- Der skal konstrueres et arbejdsbord i dataopsamlingssystemets software til opsætning af to forskellige regioner til indsamling af testdata: et til tryk, der skal måles af hovedkortet, og det andet til temperaturer, der skal tages for termoelementforstærkeren (figur 3).
- Kontroller dataindsamlingssystemet for at se, om der var en udløst hændelse, hvilket indebærer, at prøven oplevede en eksoterm reaktion og kan stoppes. Indstil systemet til at køre på en udløst fejemekanisme, så trykprøvetagningshastigheden, når en tærskelspænding er nået, går fra en prøve i sekundet til 50.000 prøver/s for nøjagtigt at løse det arbejde, der udføres af den reagerende prøve under autoignition.
BEMÆRK: Inert tests bør køres på forhånd for at undersøge, hvordan man styrer opvarmningshastigheden. De opladningsforstærkende sensorer kan udtage prøver med en hastighed på op til 500.000 prøver/s, men denne hastighed er normalt ikke nødvendig for denne test. - Hvis der observeres en eksoterm udløst reaktion, skal du trykke på stopknappen på dataopsamlingssoftwaren. Da dataindsamlingen ikke slutter af sig selv, skal du med jævne mellemrum kontrollere testen for at kontrollere, om der er tale om enten en temperaturudsletning eller en udløst trykrespons. Hvis en af disse observeres, skal du manuelt stoppe optagelsen og slukke for varmeapparatets strøm-, video- og temperaturstyring.
- Eksporter temperatur- og trykdataene manuelt til tekstfiler, der er afgrænset under fanen, og sørg for, at tryk- og temperaturdata eksporteres separat på grund af de forskellige samplingfrekvenser. Overfør tekstfilerne til en anden computer for at udføre dataanalyse af resultaterne.
- Vent mindst 12 timer, i at prøven køler af, inden prøvekammeret skilles ad. Udluft kammeret for at frigøre produktgasser fra den eksoterme reaktion. Demontere testkammeret forsigtigt.
BEMÆRK: Brug personlige værnemidler-kemisk/flammebestandig laboratoriekittel, passende handsker og et åndedræts-som raketbrændstof produkter kan være farlige. - Kammeret og alle komponenter rengøres, og prøvebeholderfragmenterne på prøveholderen udtages.
6. CRASH-P dataanalyse
BEMÆRK: Dataanalyse består af de faktiske temperaturspor og de udløste dynamiske trykdata. Dataopsamlingssystemet markerer udløserens placering, og brugeren kan se det tidspunkt, hvor dette skete. Udløseren svarer til en dynamisk trykværdi, der er 5 % højere end basislinjen.
- Stop optagelsen i softwaren, og eksporter temperatur- og trykdataene til faneseparerede tekstfiler.
- Åbn tekstfilerne med grafsoftware. Kontroller dataene for temperaturs eksotermer, hvorfra tændingstemperaturen kan bestemmes, og kontroller, hvor hurtigt kammeret presser.
- Sammenlign CRASH-P-resultaterne med SCO-testdata i fuld skala for den formulering, der testes, hvis disse er tilgængelige. Sammenlign autoignition temperatur og reaktion vold.
Representative Results
For at hjælpe læseren med at visualisere, hvordan undersystemerne i CRASH-P-testen interagerer med hinanden, vises et eksperimentelt skema i figur 4. Termoelementer inde i CRASH-P-kammeret styrer feeddataene til dataindsamlingssystemet gennem en termoelementforstærker. Temperaturregulatoren driver et elektrisk relæ, som tænder og slukker for de elektriske båndvarmere. Dette sikrer, at den korrekte varmeprofil opnås for raketbrændstofprøven. Når der sker automatisk justering af prøven, udløser dataindsamlingssystemet indsamling af dynamiske trykdata med høj hastighed ved 50.000 prøver/s. Testen slutter derefter, dataene gemmes, og det temperaturstyrende system slukkes. Efter mindst 12 timer skal CRASH-P-kammeret være ved stuetemperatur, og eventuelle produktgasser kan være opbrugt.
Typiske repræsentative resultater fremgår af figur 5. Der er temperaturspor til den indvendige kammerluft og den interne drivmiddeltemperatur af dataindsamlingssystemet. Mindre exoterme reaktioner før tænding måles ofte sammen med den vigtigste exoterme reaktion. Normalt er den eksoterme reaktion ikke voldelig nok til at bryde termoelementets perle, så hele begivenheden kan fanges. Derudover registreres dynamiske trykaflæsninger for reaktionen for de forreste, bageste og bageste dynamiske trykmålere. Som de fleste laboratoriekogehændelser kan prøvebeholderens tilstand efter reaktion vurderes for skader (Figur 5C). Endelig viser figur 5D, at der kan være en ganske stor grad af målt variation i reaktionsvolden i forskellige drivmiddelprøver, hvilket gør det muligt at kvantificere volden og sammenligne den for de forskellige reaktioner. Generelt havde hurtigere trykreaktioner mere scatter eller støj i trykdataene (Figur 5D), hvilket er i overensstemmelse med kammerets større svingning på grund af en mere voldelig reaktion.
Figur 1: Forberedelse og forsegling afCRASH-P-prøver. (B) Raketbrændstof kastes ind i en prøveholder med en polytetrafluorethylen mandrel. (C) Propelprøverne beskæres, og der anbringes en O-ring i beholderen med henblik på forsegling. d) Prøvebeholderen forsegles og boltes. Prøve indeslutning er den samme som for faktiske raketmotorer. Forkortelse: CRASH-P = Forbrændingshastighed Analyse af et langsomt opvarmet drivmiddel. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Prøvebelastning og forberedelse af CRASH-P-testen. Prøveplacering er kritisk. (A)Prøverne anbringes på planke og opvarmes centralt ved naturlig konvektion under prøvningen. (B) Prøven er boltet og holdes på plads på planken. (C) Termoelementerne anbringes på planken og inde i drivmiddelprøven til temperaturregulerings- og diagnostiske formål. (D) CRASH-P kammeret er forseglet, og båndvarmere er forbundet til en 220 VAC strømforsyning kontrolleret af temperaturregulatoren. Forkortelse: CRASH-P = Forbrændingshastighed Analyse af et langsomt opvarmet drivmiddel. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Instrumentering og dataindsamling til CRASH-P-testen. . Forkortelse: CRASH-P = Forbrændingshastighed Analyse af et langsomt opvarmet drivmiddel. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Eksperimentel skematisk oversigt over CRASH-P-testen. Temperaturovervågningssystemet styrer varmehastigheden. Dynamiske tryksensorer kvantificerer reaktionsvolden i autoignitionshændelsen, og et dataindsamlingssystem registrerer alle disse testdata for eksperimentet. CRASH-P = Analyse af forbrændingshastigheden af et langsomt opvarmet drivmiddel. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Repræsentative testdata for CRASH-P-testkørsel. (B)Dynamiske trykaflæsninger bagfra, bagpå og foran. c) CRASH-P-prøvebeholder efter prøvning. (D) Sammenligning af dynamiske trykaflæsninger foran for seks forskellige raketbrændstofformuleringer. CRASH-P = Analyse af forbrændingshastigheden af et langsomt opvarmet drivmiddel. Klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
En af de vigtigste dele af etableringen af CRASH-P-testen var at beslutte, hvilken måling fra testen der bedst kunne bruges til at kvantificere reaktionsvolden i raketbrændstofformuleringerne. Hastigheden og mængden af tryk, der frembringes af reaktionen, er direkte proportional med den effekt, som raketbrændstoft producerer, når det reagerer. Det er også direkte svarer til blast overtryk gauge anvendes i en fuld-skala SCO test. I første omgang blev trykfrekvensen (dP/dt) anvendt, men disse data var vildledende, fordi forskellige formuleringer indeholder forskellige mængder brændstof og oxidationsmiddel og producerer forskellige mængder gas med varierende sammensætning. For at minimere denne bias fra virkningerne af at ændre formuleringen ingredienser, tid til 90% peak pres blev brugt i stedet, og det korreleret godt med fuld-skala SCO test vold.
En anden testoperation, der viste sig at være vigtig, er indespærring. Tidlige prøveholdere blev lavet med termoplastiske materialer designet til at håndtere de høje temperaturer i testen. Desværre, mens disse prøver ikke smeltede, blødgjorde de og gav ikke den samme indeslutning som metalprøveholdere. Reaktionsvolden for disse prøver var mærkbart mindre end reaktionsvolden for metalprøveholdere. Et andet vigtigt resultat om testen var, at nogle raket drivmiddel formuleringer havde kritiske størrelser til autoignite pålideligt. Aluminiumholdige formuleringer havde svært ved at lave mad og autoigniting, hvis de var under 50 g. Dette blev tilskrevet kravet om en tærskelmængde ammoniumperchlorat, der var nødvendig for den voldelige reaktion. Derudover var en anden indsigt, at termoplastiske bolte ikke fungerede. De originale CRASH-P prøveholderbolte var lavet af PEEK, og dette måtte ændres til rustfrit stål. Indespærringen var ikke stærk nok på grund af, at PEEK-materialet termisk ekspanderede, før drivmiddelautomatisk justering blev opnået.
For nogle formuleringer, der antændes ved højere temperaturer, hovedsageligt aluminiumsformulerede formuleringer, er det ønskeligt at bruge et aluminiumsbrændstofholderkasse, da de ikke blødgør ved højere temperaturer. Endelig var ICP dynamiske tryksensorer de oprindelige tryksensorer, der blev brugt. Men efter ~ 10 tests, blev resultaterne mere og mere støjende, sandsynligvis fra at blive udsat for for høj temperatur. De dynamiske tryksensorer blev skiftet fra ICP-sensorer til opladningsforstærkersensorer. Opladningsforstærkersensorer mister dog opladningen, hvis de efterlades for længe. For at minimere denne effekt blev der anvendt en indbygget ladningsforstærker til ICP-konverter nedstrøms ved et sikkert temperaturområde. Da tryksensorens maksimale prøvetagningshastighed er 500.000 prøver/s, kan der registreres prøvetagningshastigheder, der er hurtigere end 50.000 prøver. Der var dog ikke behov for dette, da begivenhederne ikke var så hurtige.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne takke den fælles Enhanced Ammunition Technology Program. Mr. Anthony DiStasio og Jeffrey Brock var medvirkende til at sikre, at dette arbejde blev afsluttet.
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).
