Summary
We presenteren een protocol voor een slow cook-off test op laboratoriumschaal voor vaste raketstuwstoffen, de Combustion Rate Analysis of a Slowly Heated Propellant (CRASH-P) test. Beperkte raketstuurmiddelen worden langzaam verwarmd tot autoignition, en zowel de kooktemperatuur als het reactiegeweld worden gemeten met dynamische druksensoren.
Abstract
Vaste raketstuwstoffen worden veel gebruikt voor voortstuwingstoepassingen door militaire en ruimtevaartagentschappen. Hoewel ze zeer effectief zijn, kunnen ze onder bepaalde omstandigheden gevaarlijk zijn voor personeel en apparatuur, waarbij langzame verwarming in beperkte omstandigheden een bijzonder gevaar is. Dit artikel beschrijft een meer betaalbare laboratoriumtest die gemakkelijker op te zetten is en is ontwikkeld voor het screenen van raketstuwstofingrediënten. Raketstuwstoffen worden in monsterhouders gegoten die zijn ontworpen om dezelfde opsluiting te hebben als standaardraketmotoren (drijfgasvolume tot het totale volume in de container) en ervoor te zorgen dat het drijfgas niet gemakkelijk kan worden geventileerd. Reactiegeweld wordt gekwantificeerd door de tijd die nodig is om 90% van de maximale druk na autoignition te bereiken, wat vergelijkbaar is met blast overdrukmeters die worden gebruikt om geweld te meten in een volledige test. Er werd een positieve correlatie waargenomen tussen de snelheid en druk die uit de reactie werd geproduceerd en de kracht die het raketstuwmiddel tijdens de reactie produceerde.
Introduction
Vaste raketstuivers worden veel gebruikt in defensie-, ruimte- en gasproducerende toepassingen. Het zijn relatief betrouwbare brandstoffen die veel functies buitengewoon goed uitvoeren. Veel raketstrijkstoffen bevatten echter gevaarlijke ingrediënten zoals ammoniumperchloraat (AP). Raketst voortstuwingsstoffen met deze oxidatoren kunnen hevig exploderen wanneer langzaam verwarmd1,2,3. Er zijn verschillende spraakmakende ongelukken gebeurd met de langzame verwarming van raketstuwmiddel of raketstuwstofingrediënten die de aandacht hebben gevestigd op deze kwesties, zoals het vuur en de daaropvolgende cook-off van munitie op de USS Forrestal4 en de PEPCON-explosie1. Hoewel dit gelukkig zeldzame gebeurtenissen zijn, kunnen ze verwoestend zijn vanwege de personeels- en apparatuurverliezen die optreden. Daarom is er motivatie om het geweld van deze reacties te begrijpen en ze waar mogelijk naar beneden te drijven. Een van de belangrijkste oorzaken van gewelddadige cook-off gebeurtenissen met raketstuwmiddel is dat veel van de ingrediënten gedeeltelijk ontbinden, waardoor reactieve productgassen achterblijven, samen met de oxidator met een verbeterd reactief oppervlak.
Een specifiek voorbeeld hiervan is het ionische zout, ammoniumperchloraat. De afbraak bij lage temperatuur van ammoniumperchloraat wordt uitgetrokken en onvolledig, waardoor reactieve tussenproducten binnen een drijfgaskader met aanzienlijke porositeit en oppervlakte beschikbaar zijn voor latere reacties5,6,7,8,9. Bovendien kunnen raketst voortstuwingsmiddelen die ammoniumnitraat en explosieve nitramineverbindingen bevatten, zeer gewelddadige reacties hebben wanneer ze langzaam worden verwarmd10,11,12. Langzaam cook-off geweld is een belangrijke ongevoelige munitie metriek omdat veel raketten wettelijk verplicht zijn om deze tests te doorstaan13. Momenteel is de beste manier om te bepalen of een raketstuwmiddelformulering te heftig reageert onder langzame verwarmingsomstandigheden, een slow cook-off (SCO)-test uit te voeren op een full-scale raketmotor. Deze tests omvatten het nemen van een full-size raketmotor en het langzaam verwarmen in een wegwerp heteluchtoven.
Temperatuursporen worden op meerdere locaties verstrekt tot aan de reactie waarbij het geweld vervolgens wordt beoordeeld op basis van verschillende indicatoren, variërend van containerschade en fragmentatie tot eenvoudige overdrukmeters en dynamische druksensoren voor het meten van de ontploffingsdruk. Deze grootschalige tests zijn vaak duur en zijn niet praktisch voor het onderzoeken van kleine veranderingen in drijfgasingrediënten14. Er zijn enkele laboratoriumtests ontwikkeld waarbij stuwstoffen of explosieven in verschillende configuraties worden verwarmd en containerschade na de autoignitiegebeurtenis wordt beoordeeld. Hoewel de huidige laboratoriumtests de tijd voorspellen om goed af te koken en soms de autoignitiontemperatuur15,16,17, zijn ze minder in staat om het geweld te voorspellen.
Een veelgebruikte test is de variabele opsluitingstest18 die een cilinder drijfgas langzaam verwarmt totdat deze ontbrandt. Het geweld van de reactie wordt bepaald door de fragmentatie van de kamer en bouten tijdens de exotherme autoignitiereactie. De meest voorkomende laboratoriumtests gebruiken de eindtoestand van de kamer om reactiegeweld te rangschikken, en er is een mate van subjectiviteit aan de beoordeling. Kleine verschillen in reactiegeweld zijn moeilijk te bepalen. Deze beoordeling van geweld is kwalitatief van aard en het kan moeilijk zijn om te beoordelen of een verandering in een formuleringsingrediënt het SCO-geweld heeft veranderd. Bovendien beperken de huidige laboratoriumtests, in tegenstelling tot een echte raketmotor, het drijfgas niet in een behuizing. Productgassen kunnen gemakkelijk ontsnappen, en dit is belangrijk omdat de gassen heterogeen kunnen reageren met het drijfgas of zelf reactief kunnen zijn, zoals in het geval van ammoniak en perchlorinezuur als ammoniumperchloraat wordt gebruikt.
Een van de beste inspanningen bij het uitvoeren van een laboratoriumschaaltest betrof het gebruik van een dynamische druksensor op een kleinschalige cook-offbom19. Hierdoor konden hogere resolutie, kwantificeerbare verschillen in reactiegeweld worden bepaald voor relatief kleine veranderingen in raketstuwstofformulering. Een kritiek probleem met deze test is echter dat het de raketstafstoffen niet op dezelfde manier heeft beperkt als een echte raketmotor, en talrijke modellerings- en subschaalexperimenten hebben aangetoond dat dit een belangrijke factor is voor overweging20. Bovendien heeft het drijfgas gewoonlijk niet dezelfde hoeveelheid blootgesteld oppervlak of hetzelfde vrije volume en is het niet geometrisch beperkt op dezelfde manier als een volledige test. De verbrandingssnelheidsanalyse van een langzaam verwarmde drijfgastest (CRASH-P) is ontworpen om deze eerdere tests te verbeteren. Monsters tussen 25 g en 100 g kunnen onder vergelijkbare propellantopsluitingsomstandigheden worden getest als een volledige test21. Het biedt ook een middel om het vermogen dat wordt geproduceerd door de reactiegebeurtenis kwantitatief te meten door middel van dynamische druksensormetingen, iets wat de huidige subschaaltests niet bieden. De resultaten bleken goed te correleren met grootschalige SCO-tests.
Protocol
1. Monstervoorbereiding voor drijfgas
- Meng drijfgasingrediënten (polymere hars, weekmakers en vaste brandstof- en oxidatiedeeltjes) zorgvuldig samen in een roterende planetaire mixer voor een bepaalde duur.
OPMERKING: De duur van het mengen is afhankelijk van de specifieke formulering, maar de meeste mengsels duren ten minste 2 uur. - Giet ongehard raketstuwmiddel in een speciaal gemaakte CRASH-P monsterhouder. Plaats een polytetrafluorethyleendoorn in het midden van de monsterhouder tijdens het gieten om een centrumperforatie te creëren wanneer het drijfgas uitkeert. Gebruik een doornhouder (figuur 1) om ervoor te zorgen dat de middelste perforatie in het drijfgas recht en consistent is.
OPMERKING: CRASH-P-monsterhouders moeten worden geschaald om hetzelfde drijfgasvolume tot het interne kamervolume te hebben als een echte raketmotor om de stuwstofopsluiting van een full-scale raketmotor na te bootsen. CRASH-P monsterhouders zijn gemaakt van polyether ether ketone (PEEK) of aluminium. Hoewel raketformuleringen zonder metaalbrandstof PEEK kunnen gebruiken, moeten gemetalliseerde formuleringen aluminium houders gebruiken, zodat ze niet voortijdig smelten tijdens autoignition. - Plaats CRASH-P-monsters in een oven om polyurethaanreacties of andere chemie te versnellen die nodig is om het drijfgas te genezen. Houd de oventemperatuur op 60 °C voor urethaanuithardingen en verhoog of verlaag de temperatuur afhankelijk van de raketstuwstofingrediënten.
- Nadat de drijfgassen zijn uitgehard, trimt u ze zo dat overtollig drijfgas niet uit het oppervlak van de monsterhouder steekt en de O-ring gezichtsafdichting verstoort. Verwijder de doorn veilig uit elke formulering door deze voorzichtig eruit te trekken.
OPMERKING: Het drijfgas moet worden bijgesneden met een scheermesje of een ander scherp voorwerp om wrijvingsslijtage tegen het drijfgasoppervlak te minimaliseren. - Plaats een siliconen O-ring in het gezicht van de CRASH-P monsterhouder voor een goede drukafdichting (Figuur 1).
OPMERKING: De grootte van de O-ring is afhankelijk van de grootte van de CRASH-P monsterhouder. Voor de 25 g-test wordt bijvoorbeeld een O-ring van 025-formaat gebruikt en voor de 50 g-test wordt een O-ring van 128 maat gebruikt. - Schroef het deksel vast op de CRASH-P monsterhouder en draai het vast met een inbussleutel. Draai de bouten vast in een sterpatroon om de afdichtingskracht gelijkmatiger te verdelen.
2. CRASH-P kamervoorbereiding
- Zorg ervoor dat de CRASH-P-kamer niet onder druk staat door de uitlaatklep te openen die aan de CRASH-P-kamer is bevestigd. Verwijder het kamerdeksel, de dop en de duwring van de CRASH-P-behuizing. Bevestig een plank aan de CRASH-P-dop voor het vasthouden van de CRASH-P-monsters.
- Reinig de CRASH-P-kamer om sporen van de laatste test te verwijderen. Schrob alle verbrandingsresten met een draadborstel en reinig de kamer met een organisch oplosmiddel zoals ethanol, isopropanol, aceton of methylethylketon. Gooi reinigingsmaterialen voor eenmalig gebruik weg als gevaarlijk afval volgens de lokale en nationale voorschriften.
OPMERKING: Persoonlijke beschermingsmiddelen moeten worden gebruikt bij het reinigen met de vermelde oplosmiddelen, zoals oogbescherming, een geschikte laboratoriumjas of chemisch resistente handschoenen. - Inspecteer de CRASH-P dynamische druksensoren op ongewone slijtage.
OPMERKING: De sensoren gebruiken een verzonken montage met de CRASH-P-kamer omdat ze alleen een maximale temperatuur van 204 °C aankunnen om schade aan hun interne elektronica te voorkomen. Deze hoge temperatuur, lading-versterkte sensoren gebruiken een downstream convertor (zie de Tabel van Materialen)om het signaal te veranderen in een geïntegreerd circuit piëzo-elektrisch (ICP) signaal. - Verwijder de 1/8 inch American National Pipe Thread (NPT) fittingen die de druksensoren aan de CRASH-P hoofdbehuizing bevestigen. Reinig eventuele verbrandingsresten met een spatel of organisch oplosmiddel. De druksensor van de NPT-koppeling onthread.
- Vul de NPT-koppeling met vulkaniserend siliconenkit op kamertemperatuur. Rijg de druksensor terug naar binnen en zorg ervoor dat een deel van het afdichtmiddel is geëxtrudeerd. Veeg het afdichtmiddel af zodat het vlak is met de 1/8 inch NPT fitting.
- Laat het afdichtmiddel minstens 12 uur uitharden. Installeer de NPT-gekoppelde druksensoren opnieuw om de sensoren te beschermen tegen door ontploffing veroorzaakte temperatuurfouten in de dynamische drukmetingen.
- Bereid elektrische doorvoeren voor op de temperatuurdiagnose. Strip de thermokoppeldraden van hun isolatie en laat de kale draden door de doorvoerende isolerende huls lopen.
OPMERKING: Het model en type van de elektrische doorvoeren variëren afhankelijk van de draadmeter en de benodigde hoeveelheden doorvoeren. Zie de materialentabel voor de elektrische doorvoeren die in de CRASH-P-kamer worden gebruikt. - Gebruik standaard thermokoppels van het K-type voor de CRASH-P-test, omdat de temperatuur en bemonsteringssnelheden van de test vrij standaard zijn. Installeer een paringsverbinding aan de andere kant van de feedthrough.
OPMERKING: Om productiviteitsredenen wordt het aangemoedigd om meerdere elektrische doorvoeren te maken. - Rijg de twee elektrische doorvoeren door de kamerdop. Laat ten minste 0,3 m thermokoppel voor elke doorvoer in de kamer. Zorg ervoor dat de kralenzijde van de thermokoppels zich in de CRASH-P-kamer bevindt.
3. Installatie van drijfgasmonsters
- Schroef het verzegelde CRASH-P-monster vast aan de stalen plank (figuur 2B) die aan de kamerdop van de CRASH-P-test is bevestigd om het monster in het midden van de kamer te houden.
OPMERKING: Door ervoor te zorgen dat het monster zich in het midden van de kamer bevindt zonder de vaatwand aan te raken, wordt het monster verwarmd door convectie in plaats van geleiding. - Plaats een van de thermokoppels van de elektrische doorvoeren in de monsterhouder van het drijfgas om eventuele exotherme reacties vast te leggen. Plaats nog een thermokoppel op de stalen plank en wijs omhoog om de luchttemperatuur in de CRASH-P-kamer te bemonsteren (figuur 2). Zorg ervoor dat de thermokoppelbemonstering van de luchttemperatuur het regelthermokoppel voor de temperatuurregelaar is.
- Plaats de afdichtingsring in de ringachtige inkeping op de CRASH-P-kamer. Zorg ervoor dat de afdichtingsring schoon is van vuil van vreemde voorwerpen.
- Zodra het monster goed op de plank is bevestigd en de thermokoppels goed zijn geplaatst, schuift u de kamerdop in het lichaam van de kamer. Zorg ervoor dat u de kamerdop niet draait door de kamerdop te markeren.
- Gebruik een cilindrische staaf om de stuwkrachtring in te brengen en de borgkop volledig te rijgen en op de kamer vast te draaien.
- Installeer de 7/8"-9 stelschroeven in de kamerkop. Draai ze vast in een sterpatroon om ervoor te zorgen dat de kamer gelijkmatig wordt vastgedraaid. Gebruik een momentsleutel voor het aandraaien van de laatste kamer om een uniforme afdichting te garanderen.
OPMERKING: Over het algemeen is 169,48 N∙m voldoende voor een uniforme afdichting. - Installeer de klemmen van de kamerhouder en houd ze op hun plaats met deuvelpennen. Gebruik indien nodig een rubberen hamer om een goede pasvorm voor de mossel te garanderen en verticale beweging vanuit de kamer te voorkomen.
- Installeer de eindplaat van de kamer door deze aan de testtafel vast te draaien om te voorkomen dat de CRASH-P-test tijdens een ontstekingsgebeurtenis axiale beweging heeft.
- Sluit de coaxkabels van de dynamische druksensor aan op de signaalconditioner. Sluit de elektrische bandverwarmers (afbeelding 2D) aan op de stopcontacten die op de temperatuurregelaars zijn aangesloten, zodat de bandverwarmers kunnen worden bediend door een temperatuurregelaar die 220 VAC-stroom aan de kachels levert.
4. Opzetten en controleren van testinstrumentatie
- Programmeer de temperatuurregelaar (die 120 VAC-stroom nodig heeft) zodat deze een 24 V-signaal doorgeeft aan een solid-state relais-een schakelaar die bepaalt wanneer het verwarmingsvermogen wordt in- of uitgeschakeld.
OPMERKING: Zoals elke cook-off test is het programmeren van de temperatuurregelaar cruciaal voor het uitvoeren van betrouwbare tests. - Stem de temperatuurregelaar vóór de test af om de juiste verwarmingseigenschappen te krijgen.
OPMERKING: De proportionele versterking, integrale kenmerken en snelheid moeten allemaal worden ingesteld om oscillaties en overschrijding te minimaliseren. - Stel de temperatuurwaarden in die nodig zijn voor de 16 tijdsintervallen op de temperatuurregelaar. Gebruik de eerste drie intervallen om een helling en weekperiode in te stellen waarbij de temperatuur ten minste 2 uur op 50 °C wordt gehouden. Voer vervolgens de intervallen in om de gegevenspunten voor de test te voorzien van een lineair verwarmingsprofiel dat tijdens de test niet van helling verandert (15 °C/h is het doel) en stel de eindtemperatuur in op 300 °C.
- Zorg ervoor dat de inlaat- en uitlaatdraden zijn aangesloten op de dynamische druksignaalconditioner. Schakel de dynamische druksignaalconditioner in. Als er geen shorts zijn aangegeven, gaat u verder met de volgende stap.
OPMERKING: Er brandt een rood lampje voor een kortlopende sensor. - Gebruik drie thermokoppels van het K-type waarvan de uiteinden eindigen in een thermokoppelversterker en zorg ervoor dat de versterker is ingeschakeld. Schakel de bewakingscamera in voor de test om de CRASH-P-test via video op te nemen, zodat operators op afstand kunnen zien of er iets met de kamer gebeurt. Schakel de elektrische stroom naar de kachels op de bedieningsconsole in (afbeelding 3) en schakel de temperatuurregelaar in om de test op afstand uit te voeren.
- Schakel RSEN in op de CTRL-pagina van de temperatuurregelaar. Druk op de aux-knop op de temperatuurregelaar om de testtoestand van stand-by te veranderen zodat de test de kamer begint te verwarmen.
5. Gegevensverzameling en testopruiming
- Bouw een werkbank in de software voor gegevensverwervingssysteem om twee verschillende gebieden voor het verzamelen van testgegevens in te stellen: een voor druk die door het moederbord moet worden gemeten en de andere voor temperaturen die moeten worden genomen voor de thermokoppelversterker (figuur 3).
- Controleer het gegevensverwervingssysteem om te zien of er een geactiveerde gebeurtenis was, wat impliceert dat het monster een exotherme reactie heeft ervaren en kan worden gestopt. Stel het systeem in op een geactiveerd veegmechanisme, zodat na het bereiken van een drempelspanning de drukbemonsteringsfrequentie van één monster per seconde naar 50.000 monsters/s gaat om het werk van het reagerende monster tijdens autoignition nauwkeurig op te lossen.
OPMERKING: Er moeten vooraf inerte tests worden uitgevoerd om te onderzoeken hoe de verwarmingssnelheid kan worden regelen. De laadbelastende sensoren kunnen tot 500.000 monsters/s bemonsteren, maar die snelheid is meestal niet nodig voor deze test. - Als een exotherme geactiveerde reactie wordt waargenomen, drukt u op de stopknop van de software voor gegevensverzameling. Aangezien de gegevensverzameling niet vanzelf eindigt, controleert u regelmatig de test om te controleren op een temperatuur exotherm of een geactiveerde drukrespons. Als een van deze wordt waargenomen, stopt u de opname handmatig en schakelt u de verwarmingsvoeding, video en temperatuurregelaar uit.
- Exporteer de temperatuur- en drukgegevens handmatig naar tekstbestanden die door tabbladen zijn gescheiden, zodat druk- en temperatuurgegevens afzonderlijk worden geëxporteerd vanwege de verschillende bemonsteringssnelheden. Breng de tekstbestanden over naar een andere computer om gegevensanalyses uit te voeren op de resultaten.
- Wacht ten minste 12 uur tot de test is afgekoeld voordat u de testkamer demonteren. Ontlucht de kamer om eventuele productgassen vrij te maken van de exotherme reactie. Demonteer de testkamer voorzichtig.
OPMERKING: Draag persoonlijke beschermingsmiddelen-chemische/vlambestendige laboratoriumjas, geschikte handschoenen en een gasmasker-als raket drijfgas producten kunnen gevaarlijk zijn. - Reinig de kamer en alle componenten en vang monstercontainerfragmenten van de monsterhouder op.
6. CRASH-P data analyse
OPMERKING: Gegevensanalyse bestaat uit de werkelijke temperatuursporen en de geactiveerde dynamische drukgegevens. Het gegevensverwervingssysteem markeert de locatie van de trigger en de gebruiker kan het tijdstip zien waarop dit is gebeurd. De trigger komt overeen met een dynamische drukwaarde die 5% hoger is dan de basislijn.
- Stop de opname in de software en exporteer de temperatuur- en drukgegevens naar door tabs gescheiden tekstbestanden.
- Open de tekstbestanden met grafische software. Controleer de gegevens op temperatuur exothermen van waaruit de ontstekingstemperatuur kan worden bepaald en controleer hoe snel de kamer onder druk staat.
- Vergelijk de CRASH-P-resultaten met volledige SCO-testgegevens voor de formulering die wordt getest, indien deze beschikbaar zijn. Vergelijk autoignition temperatuur en reactie geweld.
Representative Results
Om de lezer te helpen visualiseren hoe de subsystemen van de CRASH-P-test met elkaar interageren, wordt een experimenteel schema weergegeven in figuur 4. Thermokoppels in de CRASH-P-kamer regelen de voedingsgegevens naar het data-acquisitiesysteem via een thermokoppelversterker. De temperatuurregelaar bedient een elektrisch relais, dat de elektrische bandverwarmers in- en uitschakelt. Dit zorgt ervoor dat het juiste verwarmingsprofiel wordt bereikt voor het raketstuwmiddelmonster. Wanneer autoignition van het monster plaatsvindt, activeert het gegevensverwervingssysteem het verzamelen van dynamische drukgegevens met hoge snelheid bij 50.000 monsters/s. De test eindigt dan, de gegevens worden opgeslagen en het temperatuurregelsysteem wordt uitgeschakeld. Na ten minste 12 uur moet de CRASH-P-kamer op kamertemperatuur zijn en kunnen alle productgassen worden uitgeput.
Typische representatieve resultaten zijn te zien in figuur 5. Temperatuursporen worden geleverd voor de binnenkamerlucht en de interne drijfgastemperatuur door het gegevensverwervingssysteem. Kleine exotherme reacties vóór ontsteking worden vaak gemeten samen met de belangrijkste exotherme reactie. Meestal is de exotherme reactie niet gewelddadig genoeg om de thermokoppelkraal te breken, zodat de hele gebeurtenis kan worden vastgelegd. Bovendien worden dynamische drukmetingen voor de reactie geregistreerd voor de dynamische manometers voor, achter en achter. Zoals de meeste cook-off-gebeurtenissen in het laboratorium, kan de toestand van de monstercontainer na reactie worden beoordeeld op schade (figuur 5C). Ten slotte toont figuur 5D aan dat er een vrij grote mate van gemeten variatie kan zijn in het reactiegeweld van verschillende drijfgasmonsters, waardoor het geweld kan worden gekwantificeerd en vergeleken voor de verschillende reacties. Over het algemeen hadden snellere drukreacties meer spreiding of ruis in de drukgegevens (figuur 5D), wat consistent is met de grotere oscillatie van de kamer als gevolg van een meer gewelddadige reactie.
Figuur 1: Bereiding en afdichting van CRASH-P monsters. (A) Raket drijfgas ingrediënten worden gemengd in een planetaire mixer. (B) Raketstuwmiddel wordt in een monsterhouder met een polytetrafluorethyleendoorn gegoten. (C) Drijfgasmonsters worden bijgesneden en een O-ring wordt in de container geplaatst voor afdichtingsdoeleinden. (D) Monstercontainer is verzegeld en vastgeschroefd. De opsluiting van het monster is dezelfde als die van echte raketmotoren. Afkorting: CRASH-P = Combustion Rate Analysis of a Slowly Heated Propellant. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 2: Monsterbelasting en voorbereiding van de CRASH-P-test. Monsterplaatsing is van cruciaal belang. (A) Monsters worden tijdens het testen op een plank geplaatst en centraal verwarmd door natuurlijke convectie. (B) Monster wordt vastgeschroefd en op zijn plaats gehouden op de plank. (C) Thermokoppels worden op de plank en in het drijfgasmonster geplaatst voor temperatuurregeling en diagnosedoeleinden. (D) CRASH-P-kamer is verzegeld en bandverwarmers zijn aangesloten op een 220 VAC-voeding die wordt geregeld door de temperatuurregelaar. Afkorting: CRASH-P = Combustion Rate Analysis of a Slowly Heated Propellant. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3: Instrumentatie en gegevensverzameling voor de CRASH-P-test. (A) Dynamische druksignaalconditioner, (B) thermokoppelversterker, (C) testverwarmingsregelaars en (D) gegevensverzameling tijdens de test. . Afkorting: CRASH-P = Combustion Rate Analysis of a Slowly Heated Propellant. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 4: Experimenteel schema van de CRASH-P test. Het temperatuurbewakingssysteem regelt de verwarmingssnelheid. Dynamische druksensoren kwantificeren het reactiegeweld van de autoignition-gebeurtenis en een data-acquisitiesysteem registreert al deze testgegevens voor het experiment. CRASH-P = Verbrandingssnelheidsanalyse van een langzaam verwarmd drijfgas. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 5: Representatieve testgegevens voor CRASH-P-testrun. (A) Temperatuursporen tijdens een test. (B) Dynamische drukmetingen aan de achterzijde, achterkant en voorzijde. (C) CRASH-P monstercontainer na test. (D) Vergelijking van dynamische drukmetingen aan de voorzijde voor zes verschillende raketstuwstofformuleringen. CRASH-P = Verbrandingssnelheidsanalyse van een langzaam verwarmd drijfgas. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Discussion
Een van de belangrijkste onderdelen van het vaststellen van de CRASH-P-test was het bepalen welke metriek uit de test het beste zou worden gebruikt om het reactiegeweld van de raketstuwstofformuleringen te kwantificeren. De snelheid en de hoeveelheid druk die uit de reactie wordt geproduceerd, zijn direct evenredig met het vermogen dat door het raketstuwmiddel wordt geproduceerd bij het reageren. Het is ook direct analoog aan de blast overdrukmeter die wordt gebruikt in een volledige SCO-test. Aanvankelijk werd druksnelheid (dP/dt) gebruikt, maar deze gegevens waren misleidend omdat verschillende formuleringen verschillende hoeveelheden brandstof en oxidator bevatten en verschillende hoeveelheden gas met verschillende samenstelling produceren. Om deze bias te minimaliseren van de effecten van het veranderen van de formuleringsingrediënten, werd in plaats daarvan de tijd tot 90% piekdruk gebruikt en correleerde het goed met full-scale SCO-testgeweld.
Een andere testoperatie die belangrijk bleek te zijn, is opsluiting. Vroege monsterhouders werden gemaakt met thermoplastische materialen die zijn ontworpen om de hoge temperaturen van de test aan te kunnen. Helaas, hoewel deze monsters niet smolten, verzachtten ze en zorgden ze niet voor dezelfde opsluiting als metalen monsterhouders. Het reactiegeweld voor deze monsters was merkbaar minder dan het reactiegeweld voor metalen monsterhouders. Een andere belangrijke bevinding over de test was dat sommige raketstuwstofformuleringen kritieke groottes hadden om betrouwbaar te autoignite. Aluminized formuleringen hadden moeite met afkoken en autoigniting als ze minder dan 50 g waren. Dit werd toegeschreven aan de eis van een drempelwaarde voor ammoniumperchloraat die nodig was voor de gewelddadige reactie. Daarnaast was een ander inzicht dat thermoplastische bouten niet werkten. De originele CRASH-P monsterhouderbouten waren gemaakt van PEEK, en deze moest worden vervangen door roestvrij staal. De opsluiting was niet sterk genoeg vanwege het PEEK-materiaal dat thermisch uitzet voordat de autoignition van drijfgas werd bereikt.
Voor sommige formuleringen die ontbranden bij hogere temperaturen, voornamelijk geluminiseerde formuleringen, is het gebruik van een aluminium drijfgashouderbehuizing wenselijk omdat ze niet verzachten bij hogere temperaturen. Ten slotte waren ICP dynamische druksensoren de oorspronkelijke gebruikte druksensoren. Na ~ 10 tests werden de resultaten echter steeds luidruchtiger, waarschijnlijk door blootstelling aan een te hoge temperatuur. De dynamische druksensoren werden overgeschakeld van ICP-sensoren naar laadversterkersensoren. Laadversterkersensoren verliezen echter de lading als ze te lang blijven staan. Om dit effect te minimaliseren, werd een in-line laadversterker-naar-ICP-convertor stroomafwaarts gebruikt bij een veilig temperatuurgebied. Aangezien de maximale bemonsteringsfrequentie van de druksensor 500.000 monsters/s bedraagt, kunnen bemonsteringssnelheden sneller dan 50.000 monsters/s worden geregistreerd. Dit was echter niet nodig, omdat de gebeurtenissen niet zo snel waren.
Disclosures
De auteurs hebben niets bekend te maken.
Acknowledgments
De auteurs willen het Joint Enhanced Munitions Technology Program bedanken. Mr. Anthony DiStasio en Jeffrey Brock hebben ervoor gezorgd dat dit werk is voltooid.
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).
