Summary
Wir präsentieren ein Protokoll für einen langsamen Cook-off-Test im Labormaßstab für Feststoffraketentreibstoffe, der als Combustion Rate Analysis of a Slowly Heated Propellant (CRASH-P) -Test bezeichnet wird. Eingeschlossene Raketentreibstoffe werden bis zur Selbstausbrechung langsam erhitzt, und sowohl die Cook-Off-Temperatur als auch die Reaktionsgewalt werden mit dynamischen Drucksensoren gemessen.
Abstract
Feststoffraketentreibstoffe werden häufig für Antriebsanwendungen von Militär- und Raumfahrtbehörden verwendet. Obwohl sie sehr effektiv sind, können sie unter bestimmten Bedingungen für Personal und Ausrüstung gefährlich sein, wobei eine langsame Erwärmung unter beengten Bedingungen eine besondere Gefahr darstellt. Dieses Papier beschreibt einen erschwinglicheren Labortest, der einfacher einzurichten ist und für das Screening von Raketentreibstoffinhaltsstoffen entwickelt wurde. Raketentreibstoffe werden in Probenhalter gegossen, die so konzipiert sind, dass sie den gleichen Einschluss wie Standardraketenmotoren haben (Treibladungsvolumen zum Gesamtvolumen im Behälter) und sicherstellen, dass das Treibmittel nicht leicht entlüftet werden kann. Reaktionsgewalt wird durch die Zeit quantifiziert, die benötigt wird, um 90% des maximalen Drucks nach Dertäuschung zu erreichen, was analog zu Explosionsüberdruckmessgeräten ist, die zur Messung von Gewalt in einem umfassenden Test verwendet werden. Es wurde eine positive Korrelation zwischen der Geschwindigkeit und dem Druck beobachtet, die durch die Reaktion erzeugt werden, und der Leistung, die das Raketentreibmittel während der Reaktion erzeugt.
Introduction
Feststoffraketentreibstoffe werden in großem Umfang in Verteidigungs-, Weltraum- und gaserzeugenden Anwendungen eingesetzt. Sie sind relativ zuverlässige Kraftstoffe, die viele Funktionen extrem gut erfüllen. Viele Raketentreibstoffe enthalten jedoch gefährliche Inhaltsstoffe wie Ammoniumperchlorat (AP). Raketentreibstoffe mit diesen Oxidationsmitteln können heftig explodieren, wenn sie langsam erhitzt werden1,2,3. Es gab mehrere hochkarätige Unfälle mit der langsamen Erwärmung von Raketentreibstoff oder Raketentreibstoffzutaten, die die Aufmerksamkeit auf diese Probleme gelenkt haben, wie das Feuer und das anschließende Abkochen von Munition auf der USS Forrestal4 und die PEPCON-Explosion1. Obwohl dies glücklicherweise seltene Ereignisse sind, können sie aufgrund der auftretenden Personal- und Ausrüstungsverluste verheerend sein. Daher gibt es Motivation, die Gewalt dieser Reaktionen zu verstehen und sie nach Möglichkeit zu vernachdern. Eine der Hauptursachen für heftige Cook-off-Ereignisse mit Raketentreibstoff ist, dass sich viele der Inhaltsstoffe teilweise zersetzen und reaktive Produktgase zusammen mit dem Oxidationsmittel mit einer verbesserten reaktiven Oberfläche zurücklassen.
Ein konkretes Beispiel dafür ist das ionische Salz Ammoniumperchlorat. Die Niedertemperaturzersetzung von Ammoniumperchlorat ist langwierig und unvollständig, so dass reaktive Zwischenprodukte innerhalb eines Treibmittelgerüsts mit erheblicher Porosität und Oberfläche für nachfolgende Reaktionen zur Verfügung stehen5,6,7,8,9. Darüber hinaus können Raketentreibstoffe, die Ammoniumnitrat und explosive Nitraminverbindungen enthalten, sehr heftige Reaktionen haben, wenn sie langsam erhitzt werden10,11,12. Langsame Cook-off-Gewalt ist eine wichtige unempfindliche Munitionsmetrik, da viele Raketen gesetzlich verpflichtet sind, diese Tests zu bestehen13. Derzeit ist der beste Weg, um festzustellen, ob eine Raketentreibstoffformulierung unter langsamen Erwärmungsbedingungen zu heftig reagiert, ein Slow Cook-Off (SCO) -Test an einem Raketenmotor in vollem Maßstab. Bei diesen Tests wird ein Raketenmotor in voller Größe genommen und langsam in einem Einweg-Konvektionsofen erhitzen.
Temperaturspuren werden an mehreren Stellen bis zur Reaktion bereitgestellt, wo die Gewalt dann anhand verschiedener Indikatoren bewertet wird, die von Behälterschäden und Fragmentierung bis hin zu einfachen Überdruckmessgeräten und dynamischen Drucksensoren zur Messung des Strahldrucks reichen. Diese umfassenden Tests sind oft teuer und nicht praktikabel, um geringfügige Veränderungen der Treibmittelbestandteile zu untersuchen14. Es wurden einige Tests im Labormaßstab entwickelt, bei denen Treibmittel oder Sprengstoffe in verschiedenen Konfigurationen erhitzen und Behälterschäden nach dem Selbstzündungsereignis bewertet werden. Obwohl aktuelle Tests im Labormaßstab die Zeit zum Abkochen und manchmal die Selbstzündungstemperatur15,16,17vorhersagen, sind sie weniger in der Lage, die Gewalt vorherzusagen.
Ein häufig verwendeter Test ist der variable Einschluss-Cook-Off-Test18, der einen Zylinder mit Treibmittel langsam erwärmt, bis er sich entzündet. Die Gewalt der Reaktion wird durch die Fragmentierung der Kammer und der Bolzen während der exothermen Autoignitionsreaktion bestimmt. Die häufigsten Labortests verwenden den Endzustand der Kammer, um Reaktionsgewalt zu bewerten, und es gibt ein gewisses Maß an Subjektivität bei der Bewertung. Kleine Unterschiede in der Reaktion Gewalt sind schwer zu bestimmen. Diese Bewertung von Gewalt ist qualitativer Natur, und es kann schwierig sein zu beurteilen, ob eine Änderung eines Formulierungsbestandteils die SOZ-Gewalt verändert hat. Darüber hinaus beschränken aktuelle Labortests im Gegensatz zu einem echten Raketenmotor das Treibmittel nicht in einem Gehäuse. Produktgase können leicht entweichen, und das ist wichtig, weil die Gase mit dem Treibmittel heterogen reagieren oder selbst reaktiv sein können, wie im Fall von Ammoniak und Perchlorsäure, wenn Ammoniumperchlorat verwendet wird.
Eine der besten Bemühungen bei der Instrumentierung eines Tests im Labormaßstab bestand in der Verwendung eines dynamischen Drucksensors an einer kleinen Cook-Off-Bombe19. Auf diese Weise konnten höher aufgelöste, quantifizierbare Unterschiede in der Reaktionsgewalt für relativ geringfügige Änderungen in der Raketentreibstoffformulierung bestimmt werden. Ein kritisches Problem bei diesem Test ist jedoch, dass er die Raketentreibstoffe nicht in der gleichen Weise wie ein tatsächlicher Raketenmotor einschränkt, und zahlreiche Modellierungs- und Subskalenexperimente haben gezeigt, dass dies ein wichtiger Faktor für die Betrachtungist 20. Darüber hinaus hat das Treibmittel in der Regel nicht die gleiche Menge an exponierter Oberfläche oder das gleiche freie Volumen und ist nicht geometrisch in der gleichen Weise wie ein Full-Scale-Test begrenzt. Die Combustion Rate Analysis of a Slowly Heated Propellant (CRASH-P) Test wurde konzipiert, um diese vorherigen Tests zu verbessern. Proben zwischen 25 g und 100 g können unter ähnlichen Treibmitteleinschlussbedingungen wie ein Full-Scale-Test getestet werden21. Es bietet auch eine Möglichkeit, die aus dem Reaktionsereignis erzeugte Leistung durch dynamische Drucksensormessungen quantitativ zu messen, was aktuelle Subskalentests nicht bieten. Es wurde festgestellt, dass die Ergebnisse gut mit SCO-Tests im voll angelegten Maßstab korrelieren.
Protocol
1. Vorbereitung der Treibmittelprobe
- Mischen Sie treibmittelhaltige Inhaltsstoffe (Polymerharz, Weichmacher sowie feste Brennstoffe und Oxidationsmittelpartikel) sorgfältig in einem rotierenden Planetenmischer für eine bestimmte Dauer zusammen.
HINWEIS: Die Dauer des Mischens hängt von der spezifischen Formulierung ab, aber die meisten Mischungen dauern mindestens 2 h. - Gießen Sie ungeheiltes Raketentreibmittel in einen speziell angefertigten CRASH-P Probenhalter. Legen Sie beim Gießen einen Polytetrafluorethylen-Dorn in die Mitte des Probenhalters, um eine mittlere Perforation zu erzeugen, wenn das Treibmittel aushärtet. Verwenden Sie einen Dornhalter (Abbildung 1), um sicherzustellen, dass die mittlere Perforation im Treibmittel gerade und gleichmäßig ist.
HINWEIS: CRASH-P-Probenhalter sollten so skaliert werden, dass sie das gleiche Treibmittelvolumen bis zum internen Kammervolumen wie ein tatsächlicher Raketenmotor haben, um den Treibmitteleinschluss eines Raketenmotors in vollem Maßstab nachzuahmen. CRASH-P Probenhalter bestehen aus Polyetheretherketon (PEEK) oder Aluminium. Obwohl Raketenformulierungen ohne Metallbrennstoff PEEK verwenden können, sollten metallisierte Formulierungen Aluminiumhalter verwenden, damit sie während der Selbstzündung nicht vorzeitig schmelzen. - Legen Sie CRASH-P-Proben in einen Ofen, um Polyurethanreaktionen oder andere Chemische zu beschleunigen, die zum Aushärten des Treibmittels erforderlich sind. Halten Sie die Ofentemperatur bei 60 ° C für Urethan-Aushärtungen und erhöhen oder verringern Sie die Temperatur in Abhängigkeit von den Inhaltsstoffen des Raketentreibstoffs.
- Nachdem die Treibmittel ausgehärtet sind, trimmen Sie sie so, dass überschüssiges Treibmittel nicht aus der Oberfläche des Probenhalters herausragt und die O-Ring-Flächendichtung stört. Entfernen Sie den Dorn sicher aus jeder Formulierung, indem Sie ihn vorsichtig herausziehen.
HINWEIS: Das Treibmittel sollte mit einer Rasierklinge oder einem anderen scharfen Gegenstand getrimmt werden, um den Reibungsabrieb gegen die Treibmitteloberfläche zu minimieren. - Legen Sie einen Silikon-O-Ring in die CRASH-P-Probenhalterfläche, um eine ordnungsgemäße Druckabdichtung zu erhalten (Abbildung 1).
HINWEIS: Die O-Ring-Größe variiert je nach Größe des CRASH-P Probenhalters. Zum Beispiel wird ein O-Ring der Größe 025 für den 25-g-Test und ein O-Ring der Größe 128 für den 50-g-Test verwendet. - Beschrauben Sie die Abdeckung mit dem CRASH-P Probenhalter und ziehen Sie sie mit einem Inbusschlüssel fest. Ziehen Sie die Schrauben in einem Sternmuster fest, um die Dichtkraft gleichmäßiger zu verteilen.
2. CRASH-P Kammervorbereitung
- Stellen Sie sicher, dass die CRASH-P-Kammer nicht unter Druck steht, indem Sie das an der CRASH-P-Kammer angebrachte Auslassventil öffnen. Entfernen Sie die Kammerabdeckung, die Kappe und die Schubscheibe vom CRASH-P-Gehäuse. Befestigen Sie eine Planke an der CRASH-P-Kappe, um die CRASH-P-Proben zu halten.
- Reinigen Sie die CRASH-P-Kammer, um Spuren des letzten Tests zu entfernen. Reinigen Sie alle Verbrennungsrückstände mit einer Drahtbürste und reinigen Sie die Kammer mit einem organischen Lösungsmittel wie Ethanol, Isopropanol, Aceton oder Methylethylketon. Entsorgen Sie alle Einwegreinigungsmaterialien als sondermüll gemäß den lokalen und nationalen Vorschriften.
HINWEIS: Bei der Reinigung mit den aufgeführten Lösungsmitteln wie Augenschutz, einem geeigneten Laborkittel oder chemisch beständigen Handschuhen sollte persönliche Schutzausrüstung verwendet werden. - Untersuchen Sie die dynamischen Drucksensoren CRASH-P auf ungewöhnlichen Verschleiß.
HINWEIS: Die Sensoren verwenden eine Einbaumontage mit der CRASH-P-Kammer, da sie nur eine maximale Temperatur von 204 °C bewältigen können, um Schäden an ihrer internen Elektronik zu vermeiden. Diese ladungsverstärkten Hochtemperatursensoren verwenden einen nachgeschalteten Konverter (siehe Materialtabelle),um das Signal in ein piezoelektrisches (ICP)-Signal (Integrated Circuit Piezoelectric) umzuwandeln. - Entfernen Sie die 1/8 Zoll American National Pipe Thread (NPT) Fittings, mit denen die Drucksensoren am CRASH-P-Hauptkörper befestigt sind. Reinigen Sie Verbrennungsrückstände mit einem Spatel oder einem organischen Lösungsmittel. Entfässen Sie den Drucksensor von der NPT-Kupplung.
- Füllen Sie die NPT-Kupplung mit vulkanisierendem Silikondichtstoff bei Raumtemperatur. Fädeln Sie den Drucksensor wieder nach innen ein und stellen Sie sicher, dass ein Teil des Dichtmittels extrudiert ist. Wischen Sie das Dichtmittel ab, damit es bündig mit der 1/8 Zoll NPT-Armatur ist.
- Lassen Sie das Dichtmittel mindestens 12 h aushärten. Setzen Sie die NPT-gekoppelten Drucksensoren wieder ein, um die Sensoren vor explosionsbedingten Temperaturfehlern in den dynamischen Druckmesswerten zu schützen.
- Bereiten Sie elektrische Durchführungen für die Temperaturdiagnose vor. Entfernen Sie die Thermoelementdrähte von ihrer Isolierung und führen Sie die blanken Drähte durch die Durchführungsisolierungshülse.
HINWEIS: Das Modell und die Art der elektrischen Durchführungen variieren je nach Drahtstärke und Anzahl der erforderlichen Durchführungen. Die in der CRASH-P-Kammer verwendeten elektrischen Durchführungen finden Sie in der Materialtabelle. - Verwenden Sie Standard-K-Typ-Thermoelemente für den CRASH-P-Test, da die Temperatur und die Abtastraten des Tests ziemlich Standard sind. Installieren Sie eine Gegenverbindung am anderen Ende der Durchführung.
HINWEIS: Aus Produktivitätsgründen wird empfohlen, mehrere elektrische Durchführungen vorzunehmen. - Die beiden elektrischen Durchführungen werden durch die Kammerkappe gefädelt. Lassen Sie mindestens 0,3 m Thermoelement für jede Durchführung in der Kammer. Stellen Sie sicher, dass sich die Perlenseite der Thermoelemente in der CRASH-P-Kammer befindet.
3. Installation von Treibmittelproben
- Verschrauben Sie die versiegelte CRASH-P-Probe mit der Stahlplanke (Abbildung 2B), die an der Kammerkappe des CRASH-P-Tests befestigt ist, um die Probe in der Mitte der Kammer zu halten.
HINWEIS: Wenn Sie sicherstellen, dass sich die Probe in der Mitte der Kammer befindet, ohne die Gefäßwand zu berühren, wird sichergestellt, dass die Probe durch Konvektion anstelle von Leitung erhitzt wird. - Platzieren Sie eines der Thermoelemente aus den elektrischen Durchführungen im Halter der Treibmittelprobe, um exotherme Reaktionen zu erfassen. Legen Sie ein weiteres Thermoelement auf die Stahlplanke und zeigen Sie nach oben, um die Lufttemperatur in der CRASH-P-Kammer zu messen (Abbildung 2). Stellen Sie sicher, dass das Thermoelement, das die Lufttemperatur benennt, das steuernde Thermoelement für den Temperaturregler ist.
- Setzen Sie den Dichtring in den ringförmigen Einzug der CRASH-P-Kammer ein. Stellen Sie sicher, dass der Dichtring frei von Fremdkörpern ist.
- Sobald die Probe ordnungsgemäß auf der Planke befestigt ist und die Thermoelemente richtig platziert sind, schieben Sie die Kammerkappe in den Körper der Kammer. Achten Sie darauf, die Kammerkappe nicht zu drehen, indem Sie die Kammerkappe markieren.
- Verwenden Sie eine zylindrische Stange, um die Anschubscheibe einzuführen und den Haltekopf vollständig einzufädeln und festzuziehen.
- Setzen Sie die 7/8"-9 Stellschrauben sechskantbolzen in den Kammerkopf ein. Ziehen Sie sie in einem Sternmuster fest, um sicherzustellen, dass die Kammer gleichmäßig angezogen wird. Verwenden Sie einen Drehmomentschlüssel für das endgültige Anziehen der Kammer, um eine gleichmäßige Abdichtung zu gewährleisten.
HINWEIS: Im Allgemeinen sind 169,48 N∙m für eine gleichmäßige Abdichtung ausreichend. - Installieren Sie die Kammerhalterklemmen und halten Sie sie mit Dübelstiften an Ort und Stelle. Verwenden Sie bei Bedarf einen Gummihammer, um eine bequeme Passform für die Muschel zu gewährleisten und vertikale Bewegungen aus der Kammer zu verhindern.
- Installieren Sie die Kammerendplatte, indem Sie diese mit dem Prüftisch verschrauben, um zu verhindern, dass sich der CRASH-P-Test während eines Zündereignisses axial bewegt.
- Schließen Sie die koaxialen Kabel des dynamischen Drucksensors an den Signalkonditionierer an. Schließen Sie die elektrischen Bandheizungen (Abbildung 2D) an die Steckdosen an, die an die Temperaturregler angeschlossen sind, damit die Bandheizungen von einem Temperaturregler gesteuert werden können, der die Heizgeräte mit 220 VAC versorgt.
4. Einrichten und Überprüfen der Prüfinstrumente
- Programmieren Sie den Temperaturregler (der 120 VAC Strom benötigt) so, dass er ein 24-V-Signal an ein Halbleiterrelais überträgt - einen Schalter, der bestimmt, wann die Heizleistung ein- oder ausgeschaltet wird.
HINWEIS: Wie bei jedem Cook-off-Test ist die Programmierung des Temperaturreglers entscheidend für die Durchführung zuverlässiger Tests. - Stimmen Sie den Temperaturregler vor dem Test ab, um die entsprechenden Heizeigenschaften zu erhalten.
HINWEIS: Die proportionale Verstärkung, die integralen Eigenschaften und die Rate sollten alle so eingestellt werden, dass Schwingungen und Überschwingungen minimiert werden. - Stellen Sie die Temperaturwerte ein, die für die 16 Zeitintervalle am Temperaturregler benötigt werden. Verwenden Sie die ersten drei Intervalle, um eine Rampen- und Einweichphase einzurichten, in der die Temperatur mindestens 2 Stunden lang bei 50 °C gehalten wird. Geben Sie dann die Intervalle ein, um die Datenpunkte für den Test mit einem linearen Heizprofil zu versorgen, das sich während des Tests nicht ändert (15 °C /h ist das Ziel), und stellen Sie die Endtemperatur auf 300 °C ein.
- Stellen Sie sicher, dass die Ein- und Auslassdrähte an den dynamischen Drucksignalkonditionierer angeschlossen sind. Schalten Sie den dynamischen Drucksignalkonditionierer ein. Wenn keine Shorts angezeigt sind, fahren Sie mit dem nächsten Schritt fort.
HINWEIS: Ein rotes Licht leuchtet für einen kurzgekürten Sensor. - Verwenden Sie drei Thermoelemente vom Typ K, deren Enden in einem Thermoelementverstärker enden, und stellen Sie sicher, dass der Verstärker eingeschaltet ist. Schalten Sie die Überwachungskamera für den Test ein, um den CRASH-P-Test per Video aufzuzeichnen, damit die Bediener aus der Ferne sehen können, ob etwas mit der Kammer passiert. Schalten Sie die Heizungen auf der Steuerkonsole mit Strom versorgen (Abbildung 3), und schalten Sie den Temperaturregler ein, um den Test aus der Ferne auszuführen.
- Aktivieren Sie RSEN auf der STRG-Seite des Temperaturreglers. Drücken Sie die Aux-Taste am Temperaturregler, um die Testbedingung vom Standby-Modus in den Betrieb zu ändern, sodass der Test mit der Erwärmung der Kammer beginnt.
5. Datenerfassung und Testbereinigung
- Konstruieren Sie eine Workbench in der Datenerfassungssystemsoftware, um zwei verschiedene Bereiche für die Testdatenerfassung einzurichten: einen für den Druck, der von der Hauptplatine gemessen werden soll, und den anderen für die Temperaturen, die für den Thermoelementverstärker gemessen werden sollen (Abbildung 3).
- Überprüfen Sie das Datenerfassungssystem, um festzustellen, ob ein ausgelöstes Ereignis aufgetreten ist, was bedeutet, dass die Probe eine exotherme Reaktion erfahren hat und gestoppt werden kann. Stellen Sie das System so ein, dass es mit einem ausgelösten Sweep-Mechanismus läuft, so dass nach Erreichen einer Schwellenwertspannung die Druckabtastrate von einer Probe pro Sekunde auf 50.000 Proben / s steigt, um die Arbeit der reagierenden Probe während der Autoignition genau aufzulösen.
HINWEIS: Inerte Tests sollten vorher durchgeführt werden, um zu untersuchen, wie die Heizrate zu steuern ist. Die ladungsverstärkten Sensoren können mit einer Rate von bis zu 500.000 Proben/s abtasten, aber diese Geschwindigkeit ist für diesen Test normalerweise nicht erforderlich. - Wenn eine exotherm ausgelöste Reaktion beobachtet wird, drücken Sie die Stopp-Taste an der Datenerfassungssoftware. Da die Datenerfassung nicht von selbst endet, überprüfen Sie den Test regelmäßig, um entweder auf eine Temperaturexotherme oder eine ausgelöste Druckreaktion zu prüfen. Wenn eine dieser beiden Bedingungen beobachtet wird, stoppen Sie die Aufzeichnung manuell und schalten Sie die Heizungsleistung, das Video und den Temperaturregler aus.
- Exportieren Sie die Temperatur- und Druckdaten manuell in Textdateien, die tabulatorgetrennt sind, und stellen Sie sicher, dass Druck- und Temperaturdaten aufgrund der unterschiedlichen Abtastraten getrennt exportiert werden. Übertragen Sie die Textdateien auf einen anderen Computer, um eine Datenanalyse der Ergebnisse durchzuführen.
- Warten Sie mindestens 12 Stunden, bis der Test abgekühlt ist, bevor Sie die Testkammer demontieren. Entlüften Sie die Kammer, um alle Produktgase aus der exothermen Reaktion freizusetzen. Zerlegen Sie die Prüfkammer vorsichtig.
HINWEIS: Tragen Sie persönliche Schutzausrüstung - chemischer / schwer entflammbarer Laborkittel, geeignete Handschuhe und ein Atemschutzgerät - da Raketentreibstoffprodukte gefährlich sein können. - Reinigen Sie die Kammer und alle Komponenten und erfassen Sie Probenbehälterfragmente des Probenhalters.
6. CRASH-P Datenanalyse
HINWEIS: Die Datenanalyse besteht aus den tatsächlichen Temperaturspuren und den ausgelösten dynamischen Druckdaten. Das Datenerfassungssystem markiert die Position des Triggers, und der Benutzer kann den Zeitpunkt sehen, zu dem dies aufgetreten ist. Der Trigger entspricht einem dynamischen Druckwert, der 5 % über dem Ausgangswert liegt.
- Stoppen Sie die Aufzeichnung in der Software und exportieren Sie die Temperatur- und Druckdaten in tabulatorgetrennte Textdateien.
- Öffnen Sie die Textdateien mit einer Grafiksoftware. Überprüfen Sie die Daten auf Temperaturexotherme, aus denen die Zündtemperatur bestimmt werden kann, und überprüfen Sie, wie schnell die Kammer unter Druck steht.
- Vergleichen Sie die CRASH-P-Ergebnisse mit vollständigen SCO-Testdaten für die zu testende Formulierung, sofern diese verfügbar sind. Vergleichen Sie Die Temperatur der Selbstzündung und die Reaktionsgewalt.
Representative Results
Um dem Leser zu helfen, zu visualisieren, wie die Subsysteme des CRASH-P-Tests miteinander interagieren, ist in Abbildung 4ein experimentelles Schema dargestellt. Thermoelemente in der CRASH-P-Kammer steuern die Zufuhrdaten zum Datenerfassungssystem über einen Thermoelementverstärker. Der Temperaturregler betreibt ein elektrisches Relais, das die elektrischen Bandheizungen ein- und ausschaltet. Dadurch wird sichergestellt, dass das richtige Heizprofil für die Raketentreibstoffprobe erreicht wird. Wenn die Probe automatisch erfolgt, löst das Datenerfassungssystem die Erfassung dynamischer Hochgeschwindigkeitsdruckdaten bei 50.000 Proben / s aus. Der Test endet dann, die Daten werden gespeichert und das Temperaturregelungssystem wird ausgeschaltet. Nach mindestens 12 h sollte die CRASH-P-Kammer Raumtemperatur haben und alle Produktgase können erschöpft sein.
Typische repräsentative Ergebnisse sind in Abbildung 5 zu sehen. Temperaturspuren für die Innenkammerluft und die interne Treibmitteltemperatur werden durch das Datenerfassungssystem bereitgestellt. Kleinere exotherme Reaktionen vor der Entzündung werden oft zusammen mit der exothermen Hauptreaktion gemessen. Normalerweise ist die exotherme Reaktion nicht heftig genug, um die Thermoelementperle zu brechen, so dass das gesamte Ereignis erfasst werden kann. Zusätzlich werden dynamische Druckmesswerte für die Reaktion für die dynamischen Manometer vorne, hinten und hinten aufgezeichnet. Wie bei den meisten Labor-Cook-Off-Ereignissen kann der Zustand des Probenbehälters nach der Reaktion auf Schäden beurteilt werden (Abbildung 5C). Schließlich zeigt Abbildung 5D, dass es eine ziemlich große Maß an gemessener Variation in der Reaktionsgewalt verschiedener Treibmittelproben geben kann, so dass die Gewalt quantifiziert und für die verschiedenen Reaktionen verglichen werden kann. Im Allgemeinen hatten schnellere Druckreaktionen mehr Streuung oder Rauschen in den Druckdaten (Abbildung 5D), was mit der größeren Schwingung der Kammer aufgrund einer heftigeren Reaktion übereinstimmt.
Abbildung 1: Vorbereitung und Versiegelung von CRASH-P-Proben. (A) Die Inhaltsstoffe des Raketentreibstoffs werden in einem Planetenmischer gemischt. (B) Raketentreibstoff wird mit einem Polytetrafluorethylen-Dorn in einen Probenhalter gegossen. (C) Treibgasproben werden getrimmt und ein O-Ring wird zu Dichtungszwecken in den Behälter gelegt. (D) Der Probenbehälter ist versiegelt und verschraubt. Der Probeneinschluss ist derselbe wie bei tatsächlichen Raketenmotoren. Abkürzung: CRASH-P = Combustion Rate Analysis of a Slowly Heated Propellant. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Probenbeladung und Vorbereitung des CRASH-P-Tests. Die Probenplatzierung ist entscheidend. (A) Die Proben werden auf eine Diente gelegt und während der Prüfung durch natürliche Konvektion zentral erhitzt. (B) Die Probe wird verschraubt und auf der Dielen gehalten. (C) Thermoelemente werden zu Temperaturkontroll- und Diagnosezwecken auf die Planke und in die Treibgasprobe gelegt. (D) CRASH-P-Kammer ist abgedichtet, und Bandheizungen sind an eine 220 VAC Stromversorgung angeschlossen, die vom Temperaturregler gesteuert wird. Abkürzung: CRASH-P = Combustion Rate Analysis of a Slowly Heated Propellant. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Instrumentierung und Datenerfassung für den CRASH-P-Test. (A) Dynamischer Drucksignalkonditionierer, (B) Thermoelementverstärker, (C) Testheizungssteuerungen und (D) Datenerfassung während des Tests. . Abkürzung: CRASH-P = Combustion Rate Analysis of a Slowly Heated Propellant. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Experimenteller Schaltplan des CRASH-P-Tests. Das Temperaturüberwachungssystem regelt die Heizrate. Dynamische Drucksensoren quantifizieren die Reaktionsgewalt des Selbstzündungsereignisses, und ein Datenerfassungssystem zeichnet all diese Testdaten für das Experiment auf. CRASH-P = Verbrennungsratenanalyse eines langsam erwärmten Treibmittels. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Repräsentative Testdaten für den CRASH-P-Testlauf. (A) Temperaturspuren während eines Tests. (B) Dynamische Druckmessungen hinten, hinten und vorne. (C) CRASH-P Probenbehälter nach dem Test. (D) Vergleich der vorderen dynamischen Druckmesswerte für sechs verschiedene Raketentreibstoffformulierungen. CRASH-P = Verbrennungsratenanalyse eines langsam erwärmten Treibmittels. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Discussion
Einer der wichtigsten Teile der Etablierung des CRASH-P-Tests war die Entscheidung, welche Metrik aus dem Test am besten verwendet werden würde, um die Reaktionsgewalt der Raketentreibstoffformulierungen zu quantifizieren. Die Geschwindigkeit und die Menge des Drucks, der durch die Reaktion erzeugt wird, ist direkt proportional zur Leistung, die das Raketentreibmittel bei der Reaktion erzeugt. Es ist auch direkt analog zum Strahlüberdruckmessgerät, das in einem SCO-Test in vollem Umfang verwendet wird. Anfangs wurde die Druckbeaufschärfungsrate (dP / dt) verwendet, aber diese Daten waren irreführend, da verschiedene Formulierungen unterschiedliche Mengen an Kraftstoff und Oxidationsmittel enthalten und unterschiedliche Gasmengen mit unterschiedlicher Zusammensetzung produzieren. Um diese Verzerrung durch die Auswirkungen der Änderung der Formulierungsinhaltsstoffe zu minimieren, wurde stattdessen die Zeit bis zu 90% Spitzendruck verwendet, und sie korrelierte gut mit der SCO-Testgewalt im vollen Maßstab.
Ein weiterer Testvorgang, der sich als wichtig erwiesen hat, ist die Einschließung. Frühe Probenhalter wurden aus thermoplastischen Materialien hergestellt, die für die hohen Temperaturen des Tests ausgelegt waren. Leider schmolzen diese Proben zwar nicht, aber sie wurden weich und boten nicht den gleichen Einschluss wie Metallprobenhalter. Die Reaktionsgewalt für diese Proben war merklich geringer als die Reaktionsgewalt für Metallprobenhalter. Eine weitere wichtige Erkenntnis des Tests war, dass einige Raketentreibstoffformulierungen kritische Größen hatten, um zuverlässig zu autoigniten. Aluminisierte Formulierungen hatten Schwierigkeiten beim Abkochen und Autoignitieren, wenn sie unter 50 g lagen. Dies wurde auf die Anforderung einer Schwellenmenge an Ammoniumperchlorat zurückgeführt, die für die heftige Reaktion erforderlich war. Darüber hinaus war eine weitere Erkenntnis, dass thermoplastische Schrauben nicht funktionierten. Die originalen CRASH-P Probenhalterschrauben wurden aus PEEK gefertigt, und diese mussten auf Edelstahl umgestellt werden. Der Einschluss war nicht stark genug, da sich das PEEK-Material thermisch ausdehnte, bevor die Treibmittelautoignition erreicht wurde.
Für einige Formulierungen, die sich bei höheren Temperaturen entzünden, hauptsächlich aluminisierte Formulierungen, ist die Verwendung eines Aluminiumtreibstoffhaltergehäuses wünschenswert, da sie bei höheren Temperaturen nicht weich werden. Schließlich waren ICP-dynamische Drucksensoren die ursprünglich verwendeten Drucksensoren. Nach ~ 10 Tests wurden die Ergebnisse jedoch zunehmend laut, wahrscheinlich weil sie einer zu hohen Temperatur ausgesetzt waren. Die dynamischen Drucksensoren wurden von ICP-Sensoren auf Ladeverstärkersensoren umgestellt. Ladungsverstärkersensoren verlieren jedoch die Ladung, wenn sie zu lange eingeschaltet bleiben. Um diesen Effekt zu minimieren, wurde ein Inline-Ladungsverstärker-zu-ICP-Wandler in einem sicheren Temperaturbereich nachgeschaltet. Da die maximale Abtastrate des Drucksensors 500.000 Proben/s beträgt, konnten Abtastraten von schneller als 50.000 Proben/s aufgezeichnet werden. Es gab jedoch keine Notwendigkeit dafür, da die Ereignisse nicht so schnell waren.
Disclosures
Die Autoren haben nichts preiszugeben.
Acknowledgments
Die Autoren danken dem Joint Enhanced Munitions Technology Program. Anthony DiStasio und Jeffrey Brock waren maßgeblich daran beteiligt, dass diese Arbeit abgeschlossen wurde.
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 |
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