Summary
אנו מציגים פרוטוקול לבדיקת בישול איטית בקנה מידה מעבדה עבור דלקים רקטיים מוצקים הנקרא ניתוח קצב הבעירה של מבחן דלק מחומם לאט (CRASH-P). דלקי רקטות מוגבלים מחוממים לאט עד להצתה אוטומטית, וגם טמפרטורת הבישול וגם האלימות של התגובה נמדדים בחיישני לחץ דינמיים.
Abstract
דלקי רקטות מוצקים נמצאים בשימוש נרחב ליישומי הנעה על ידי סוכנויות צבאיות וחלל. למרות יעיל מאוד, הם יכולים להיות מסוכנים כוח אדם וציוד בתנאים מסוימים, עם חימום איטי בתנאים מוגבלים להיות סכנה מסוימת. מאמר זה מתאר בדיקת מעבדה זולה יותר כי קל יותר להגדיר ופותח עבור הקרנת מרכיבי דלק רקטות. דלקי רקטות מוטסים למחזיקי דגימה שתוכננו להיות בעלי כליאה זהה למנועי רקטות סטנדרטיים (נפח דלק לנפח הכולל במיכל) ומוודאים כי לא ניתן לפרוק את המדחף בקלות. אלימות התגובה מכומתת על ידי הזמן שלוקח להגיע ל -90% מהלחץ המרבי לאחר הצתה אוטומטית, אשר מקבילה לפיצוץ מדי לחץ יתר המשמשים למדידת אלימות במבחן בקנה מידה מלא. נמצא מתאם חיובי בין המהירות והלחץ שהופקו מהתגובה לבין הכוח שמייצר דלק הרקטות במהלך התגובה.
Introduction
דלקי רקטות מוצקים משמשים בהרחבה ביישומי הגנה, חלל וגז. הם דלקים אמינים יחסית המבצעים פונקציות רבות היטב. עם זאת, דלקים רקטיים רבים מכילים מרכיבים מסוכנים כגון אמוניום פרכלורט (AP). דלקים רקטיים עם מחמצנים אלה יכולים להתפוצץ באלימות כאשר מחומם לאט1,2,3. היו כמה תאונות בפרופיל גבוה עם חימום איטי של דלק רקטות או מרכיבי דלק רקטות שמשכו תשומת לב לנושאים אלה כגון האש ובישול לאחר מכן של תחמושת על USS Forrestal4 ואת פיצוץ PEPCON1. אמנם אלה הם אירועים נדירים למרבה המזל, הם יכולים להיות הרסניים בגלל אובדן כוח אדם וציוד המתרחשים. לכן, יש מוטיבציה להבין את האלימות של תגובות אלה ולדחף אותם למטה במידת האפשר. אחד הגורמים העיקריים לאירועי בישול אלימים עם דלק רקטי הוא שרבים מהמרכיבים מתפרקים חלקית, ומשאירים גזי מוצר תגובתיים מאחור יחד עם החמצון עם שטח פנים תגובתי משופר.
דוגמה ספציפית לכך היא מלח יוני, אמוניום פרכלורט. פירוק בטמפרטורה נמוכה של אמוניום perchlorate נמשך החוצה ולא שלם, משאיר מוצרי ביניים תגובתי במסגרת דלק עם נקבוביות משמעותית שטח הפנים זמין לתגובות הבאות5,6,7,8,9. בנוסף, דלקים רקטיים המכילים אמוניום חנקתי ותרכובות חנקן נפץ יכול להיות תגובות אלימות מאוד כאשר מחומם לאט10,11,12. אלימות בישול איטית היא מדד תחמושת חסר רגישות חשוב מכיוון שרקטות רבות נדרשות על פי חוק לעבור את המבחניםהאלה 13. נכון לעכשיו, הדרך הטובה ביותר לקבוע אם ניסוח דלק רקטי מגיב באלימות רבה מדי בתנאי חימום איטיים היא להריץ בדיקת בישול איטית (SCO) על מנוע רקטי בקנה מידה מלא. בדיקות אלה כוללות לקיחת מנוע רקטי בגודל מלא וחימום איטי בתנור קונבקציה חד פעמי.
עקבות טמפרטורה מסופקות במספר מקומות עד לתגובה שבה האלימות מוערכת לאחר מכן על סמך אינדיקטורים שונים החל מנזק במכולה ופיצול ועד מדי לחץ יתר פשוט וחיישני לחץ דינמיים למדידת לחץ פיצוץ. בדיקות בקנה מידה מלא אלה הם לעתים קרובות יקרים ואינם מעשיים לחקירת שינויים קלים במרכיבי דלק14. פותחו מספר בדיקות בקנה מידה של מעבדה הכוללות חימום דלקים או חומרי נפץ במגוון תצורות והערכה של נזקי מכולה לאחר אירוע ההצתה האוטומטית. למרות בדיקות בקנה מידה מעבדה הנוכחי לחזות את הזמן לבשל היטב ולפעמים את טמפרטורת ההצתה האוטומטית15,16,17, הם פחות מסוגלים לחזות את האלימות.
בדיקה נפוצה אחת היא מבחן בישול הכליאה המשתנה18 שמחמם לאט גליל של דלק עד שהוא מתפוצץ. האלימות של התגובה נקבעת על ידי פיצול החדר וברגים במהלך תגובת ההצתה האוטומטית האקסותרמית. בדיקות המעבדה הנפוצות ביותר משתמשות במצב הסופי של התא כדי לדרג אלימות תגובה, ויש מידה של סובייקטיביות להערכה. קשה לקבוע הבדלים קטנים באלימות התגובה. הערכה זו של אלימות היא איכותית מטבעה, וקשה להעריך אם שינוי במרכיב הפורמולציה שינה את האלימות של SCO. יתר על כן, בניגוד למנוע רקטי בפועל, בדיקות המעבדה הנוכחיות אינן מגבילות את הדחף בתוך מקרה. גזי מוצר יכולים בקלות לברוח, וזה חשוב כי הגזים יכולים להגיב עם הטרוגני דלק באופן או להיות תגובתי עצמם, כמו במקרה של אמוניה וחומצה פרכלורית אם אמוניום perchlorate משמש.
אחד המאמצים הטובים ביותר בהפעלת בדיקת סולם מעבדה כלל שימוש בחיישן לחץ דינמי על פצצת בישול בקנה מידה קטן19. זה איפשר רזולוציה גבוהה יותר, הבדלים הניתנים לכימות באלימות התגובה להיקבע לשינויים קלים יחסית ניסוח דלק רקטות. עם זאת, בעיה קריטית עם בדיקה זו היא כי זה לא גביל את דלקי הרקטות באותו אופן כמו מנוע רקטי בפועל, וניסויים דוגמנות תת-קרקעיים רבים הראו שזה גורם חשוב לשיקול20. בנוסף, לדלק בדרך כלל אין את אותה כמות של שטח פנים חשוף או אותו נפח חופשי ואינו מוגבל גיאומטרית באותו אופן כמו בדיקה בקנה מידה מלא. ניתוח קצב הבעירה של מבחן דלק מחומם לאט (CRASH-P) נוצר כדי לשפר על בדיקות קודמות אלה. דגימות בין 25 גרם ל 100 גרם ניתן לבדוק בתנאי כליאה דלק דומים כמו מבחן בקנה מידה מלא21. הוא גם מספק אמצעי למדידת הכוח המופק מאירוע התגובה כמותית באמצעות מדידות חיישן לחץ דינמיות, וזה משהו שבדיקות תת-דרג הנוכחיות אינן מספקות. התוצאות נמצאו לתאם היטב עם בדיקות SCO בקנה מידה מלא.
Protocol
1. הכנת דגימת דלק
- מערבבים בזהירות מרכיבי דלק (שרף פולימרי, פלסטיקאים, וחלקיקי דלק מוצק וחמצון) יחד במיקסר פלנטרי מסתובב למשך זמן מוגדר.
הערה: משך הערבוב תלוי בניסוח הספציפי, אך רוב התערובות לוקחות לפחות 2 שעות. - יצוק דלק רקטות לא תפו"א למחזיק מדגם CRASH-P מתוצרת מיוחדת. מניחים מנדרל פוליטרפלואורואתילן במרכז מחזיק המדגם תוך כדי יציקה כדי ליצור ניקוב מרכזי כאשר הדלק מרפא. השתמש במחזיק מנדרל(איור 1)כדי להבטיח שהניחור המרכזי בדלק יהיה ישר ועקבי.
הערה: מחזיקי דגימת CRASH-P צריכים לשנות את קנה המידה כדי לקבל את אותו נפח דלק לנפח תא פנימי כמו מנוע רקטי בפועל כדי לחקות את כליאה דלק של מנוע רקטי בקנה מידה מלא. מחזיקי דגימת CRASH-P עשויים מפוליאתר אתר קטון (PEEK) או אלומיניום. למרות ניסוחים רקטיים ללא דלק מתכת יכול להשתמש PEEK, ניסוחים מתכתיים צריך להשתמש מחזיקי אלומיניום, כך שהם לא נמסים בטרם עת במהלך הצתה אוטומטית. - מניחים דגימות CRASH-P בתנור כדי להאיץ את כל תגובות פוליאוריטן או כימיה אחרת הנדרשת כדי לרפא את המדחף. שמור על טמפרטורת התנור ב 60 °C לריפוי אורתאן, ולהגדיל או להקטין את הטמפרטורה בהתאם מרכיבי דלק רקטות.
- לאחר שהמדחפים נרפאו, גזרו אותם כך שדלק עודף לא יתבלט מפני השטח של מחזיק הדגימה ויפריע לאחותם הפנים של טבעת ה-O. הסר בבטחה את המנדרל מכל ניסוח על ידי משיכה עדינה החוצה.
הערה: יש לחתוך את הדחף עם סכין גילוח או חפץ חד אחר כדי למזער שחיקה חיכוך על משטח דלק. - הניחו טבעת O מסיליקון בתוך הפנים של מחזיק דגימת CRASH-P לקבלת חותם לחץ מתאים(איור 1).
הערה: גודל טבעת ה- O ישתנה בהתאם לגודל של מחזיק דגימת CRASH-P. לדוגמה, טבעת O בגודל 025 משמשת לבדיקה של 25 גרם וטבעת O בגודל 128 משמשת לבדיקת 50 גרם. - תנעלו את הכיסוי על מחזיק הדגימה CRASH-P, והדקו אותו עם מפתח ברגים של אלן. הדקו את הברגים בתבנית כוכבים כדי להפיץ את כוח האיטום באופן שווה יותר.
2. הכנת חדר CRASH-P
- ודא כי תא CRASH-P אינו בלחץ על ידי פתיחת שסתום הפליטה המחובר לתא CRASH-P. הסר את כיסוי התא, כובע, מכונת כביסה דחף מגוף CRASH-P. צרף קרש לכובע CRASH-P להחזקת דגימות CRASH-P.
- נקה את תא CRASH-P כדי להסיר עקבות של הבדיקה האחרונה. יש לשפשף את כל שאריות הבעירה במברשת תיל, ולנקות את התא עם ממס אורגני כגון אתנול, איזופרופנול, אצטון או מתיל אתיל קטון. יש להיפטר מחומרי ניקוי חד פעמיים כפסולת מסוכנת על פי התקנות המקומיות והלאומיות.
הערה: יש להשתמש בציוד מגן אישי בעת ניקוי עם הממיסים המפורטים, כגון הגנה על העיניים, מעיל מעבדה מתאים או כפפות עמידות כימית. - בדוק את חיישני הלחץ הדינמיים CRASH-P עבור כל בלאי יוצא דופן.
הערה: החיישנים משתמשים הרכבה שקועה עם תא CRASH-P מכיוון שהם יכולים להתמודד רק עם טמפרטורה מקסימלית של 204 °C (70 °F) כדי למנוע נזק לאלקטרוניקה הפנימית שלהם. חיישנים אלה בטמפרטורה גבוהה, מוגבר מטען להשתמש ממיר במורד הזרם (ראה טבלת החומרים) כדי לשנות את האות לאות מעגל משולב פיזואלקטרי (ICP). - הסר את אביזרי חוט הצינור הלאומי האמריקאי (NPT) בגודל 1/8 אינץ' שמחברים את חיישני הלחץ לגוף הראשי CRASH-P. נקו את כל שאריות הבעירה בעזרת מרית או ממס אורגני. שלא קרא את חיישן הלחץ מהצימוד של אן.פי.סי.
- מלאו את צימוד NPT עם טמפרטורת החדר מצמצם את איטום הסיליקון. השחיל את חיישן הלחץ בחזרה פנימה, מוודא שחלק מהאיטום מוחץ. נגב את איטום את כך שהוא סומק עם 1/8 אינץ ' NPT מתאים.
- תן לאיטום לרפא לפחות 12 שעות. התקן מחדש את חיישני הלחץ מצמידי NPT כדי להגן על החיישנים מפני שגיאות טמפרטורה הנגרמות על-ידי פיצוץ בקריאה של הלחץ הדינמי.
- הכן הזנה חשמלית לאבחון הטמפרטורה. הפשיטו את חוטי התרמו-צמד של הבידוד שלהם, והעבירו את החוטים החשופים דרך שרוול הבידוד.
הערה: הדגם והסוג של ההזנה החשמלית ישתנו בהתאם למד התיל ולכמויות ההזנה הדרושות. עיין בטבלת החומרים עבור תוחמות החשמל המשמשות בתא CRASH-P. - השתמש בתרמי-סקופים סטנדרטיים מסוג K לבדיקת CRASH-P מכיוון שקצבי הטמפרטורה והדגימה של הבדיקה סטנדרטיים למדי. התקן חיבור הזדווגות בקצה השני של ההזנה.
הערה: מטעמי פרודוקטיביות, מומלץ ליצור הזנות חשמליות מרובות. - השחיל את שני ההזנות החשמליות דרך מכסה התא. השאירו לפחות 0.3 מ' של תרמו-סקופ לכל הזנה בתוך התא. ודא כי הצד החרוזים של thermocouples הוא בתוך תא CRASH-P.
3. התקנת דגימת דלק
- בורג מדגם CRASH-P אטום על קרש הפלדה(איור 2B)מחובר לכובע התא של מבחן CRASH-P כדי לשמור על המדגם באמצע התא.
הערה: הקפדה כי המדגם הוא באמצע התא מבלי לגעת בקיר כלי העבודה מבטיח כי המדגם מחומם על ידי convection במקום הולכה. - הנח את אחד התרמי-תרופלים מההזנה החשמלית בתוך מחזיק דגימת הדלק כדי ללכוד תגובות אקסותרמיות. מניחים עוד תרמי על קרש הפלדה, ומצביעים כדי לדגום את טמפרטורת האוויר בתוך תא CRASH-P(איור 2). ודא כי thermocouple דגימת טמפרטורת האוויר הוא thermocouple השליטה עבור בקר הטמפרטורה.
- הנח את טבעת האיטום בכניסה דמוית הטבעת בתא CRASH-P. ודא שטבעת האיטום נקייה מכל פסולת של חפץ זר.
- לאחר המדגם מאובטח כראוי על הקרש ואת thermocouples ממוקמים כראוי, להחליק את מכסה התא לתוך הגוף של התא. יש להקפיד לא לסובב את מכסה התא על ידי סימון מכסה התא.
- השתמש מוט גלילי כדי להכניס את מכונת הכביסה דחף לחלוטין להשחיל ולהדק את ראש שמירה על התא.
- התקן את בורגים 7/8"-9 להגדיר בורג מכבס לתוך ראש התא. הדקו אותם בתבנית כוכבים כדי להבטיח שהתא מתהדק באופן שווה. השתמש מפתח ברגים מנומנט עבור הידוק התא הסופי כדי להבטיח איטום אחיד.
הערה: בדרך כלל, 169.48 N∙m מספיקים לאיטום אחיד. - התקן את מהדקי שכר הטרחה של התא, והחזק אותם במקומם עם סיכות דאוול. במידת הצורך, השתמש פטיש גומי כדי להבטיח התאמה נוחה עבור הצדפה ולמנוע תנועה אנכית מן התא.
- התקן את לוחית הקצה של התא על-ידי הברגה זו לשולחן הבדיקות כדי למנוע את בדיקת CRASH-P מתנועה צירית במהלך אירוע הצתה.
- חבר את כבלי צירי הלחץ הדינמיים למרכך האות. חבר את תנורי החימום של הפס החשמלי (איור 2D) לשקעי השקע המתחברים לבקרי הטמפרטורה כך שניתן יהיה לשלוט בתנורי הרצועה על-ידי בקר טמפרטורה המספק חשמל של 220 וולט AC לתנורים.
4. הגדרה ובדיקה של מכשור בדיקה
- תכנת את בקר הטמפרטורה (הדורש הספק של 120 וולט) כך שהוא ישדר אות V 24 למתג Solid-state הקובע מתי כוח החימום מופעל או כבוי.
הערה: כמו כל מבחן בישול, תכנות בקר הטמפרטורה חיוני להפעלת בדיקות אמינות. - כוונן את בקר הטמפרטורה לפני הבדיקה כדי לקבל את מאפייני החימום המתאימים.
הערה: הרווח היחסי, המאפיינים האינטגרליים והקצב צריכים להיות מוגדרים כולם כדי למזער תנודות ו overshoot. - הגדר את ערכי הטמפרטורה הדרושים עבור מרווחי הזמן של 16 בבקר הטמפרטורה. השתמש בשלושת המרווחים הראשונים כדי להגדיר רמפה ולספוג תקופה שבה הטמפרטורה נשמרת ב 50 °C (50 °F) לפחות 2 שעות. לאחר מכן, הזן את המרווחים כדי לספק את נקודות הנתונים עבור הבדיקה יש פרופיל חימום ליניארי שאינו משנה שיפוע במהלך הבדיקה (15 °C /h היא המטרה), ולהגדיר את הטמפרטורה הסופית ל 300 °C (5 °F).
- ודא שחוטי הכניסה והשקע מחוברים למרכך אות הלחץ הדינמי. הפעל את מרכך אות הלחץ הדינמי. אם לא צוינו מכנסיים קצרים, המשך לשלב הבא.
הערה: אור אדום מאיר עבור חיישן מקוצר. - השתמש בשלושה תרמים מסוג K שקצהיהם מסתיימים בתוך מגבר תרמו-סקופ, וודא שהמגבר מופעל. הפעל את מצלמת הניטור לבדיקה כדי להקליט את בדיקת CRASH-P באמצעות וידאו כדי שמפעילים יוכלו לראות אם משהו קורה לתא מרחוק. הפעל את החשמל לתנורים בקונסולת הבקרה(איור 3)והפעל את בקר הטמפרטורה כדי להפעיל את הבדיקה מרחוק.
- בעמוד CTRL של בקר הטמפרטורה, הפעל את RSEN. לחץ על לחצן aux בבקר הטמפרטורה כדי לשנות את מצב הבדיקה ממצב המתנה להפעלה כך שהבדיקה תתחיל לחמם את התא.
5. רכישת נתונים וניקוי בדיקות
- בנה שולחן עבודה בתוכנת מערכת רכישת הנתונים כדי להגדיר שני אזורים נפרדים לאיסוף נתוני בדיקה: אחד ללחץ שיימדד על ידי הלוח הראשי והשני לטמפרטורות שיילקחו עבור מגבר התרמי-ample ( איור 3).
- בדוק את מערכת רכישת הנתונים כדי לראות אם היה אירוע מופעל, מה שמרמז על כך שהמדגם חווה תגובה אקסותרמית וניתן לעצור אותו. הגדר את המערכת לפעול על מנגנון סריקה מופעל כך שלאחר מתח סף הוא הגיע, קצב דגימת הלחץ עובר מדגם אחד שנייה ל 50,000 דגימות / s כדי לפתור במדויק את העבודה שנעשתה על ידי מדגם מגיב במהלך הצתה אוטומטית.
הערה: יש להפעיל בדיקות אינרטיות מראש כדי לחקור כיצד לשלוט בקצב החימום. החיישנים המוגברים של המטען יכולים לדגום בקצב של עד 500,000 דגימות/ש', אך מהירות זו בדרך כלל אינה הכרחית לבדיקה זו. - אם נצפתה תגובה מופעלת אקסותרמית, לחץ על לחצן העצירה בתוכנת רכישת הנתונים. מכיוון שרכישת הנתונים אינה מסתיימת מעצמה, בדוק מעת לעת את הבדיקה כדי לבדוק אם יש אקסותרם טמפרטורה או תגובת לחץ מופעלת. אם נצפתה אחת מהן, הפסק את ההקלטה באופן ידני וכבה את עוצמת התנור, הווידאו ובקר הטמפרטורה.
- יצא באופן ידני את נתוני הטמפרטורה והלחץ לקבצי טקסט המופרדים באמצעות טאבים, וודא כי נתוני לחץ וטמפרטורה מיוצאים בנפרד בגלל שיעורי הדגימה השונים. העבר את קבצי הטקסט למחשב אחר כדי לבצע ניתוח נתונים בתוצאות.
- המתן לפחות 12 שעות עד שהבדיקה תצטנן לפני פירוק תא הבדיקה. פורק את התא כדי לשחרר גזי מוצר מהתגובה האקסותרמית. בזהירות לפרק את תא הבדיקה.
הערה: ללבוש ציוד מגן אישי- כימי / להבה מעבדה עמיד, כפפות מתאימות, ומוצרי דלק רקטיים נשימתיים יכול להיות מסוכן. - נקה את התא ואת כל הרכיבים, ולכוד שברי מיכל לדוגמה של מחזיק המדגם.
6. ניתוח נתוני CRASH-P
הערה: ניתוח נתונים מורכב מעקבי הטמפרטורה בפועל ואת נתוני הלחץ הדינמי מופעל. מערכת רכישת הנתונים מסמנת את מיקום הגורם המפעיל, והמשתמש יכול לראות את השעה שבה הדבר התרחש. הגורם המפעיל מתאים לערך לחץ דינמי הגבוה ב- 5% מקו הבסיס.
- הפסק את ההקלטה בתוכנה וייצוא את נתוני הטמפרטורה והלחץ לקבצי טקסט מופרדים באמצעות טאבים.
- פתח את קבצי הטקסט באמצעות תוכנת גרפים. בדוק את הנתונים עבור exotherms טמפרטורה שממנו ניתן לקבוע את טמפרטורת ההצתה, ולבדוק כמה מהר התא לוחץ.
- השווה את תוצאות CRASH-P לנתוני בדיקת SCO בקנה מידה מלא עבור הניסוח הנבדק, אם אלה זמינים. השווה את טמפרטורת ההצתה האוטומטית ואת אלימות התגובה.
Representative Results
כדי לעזור לקורא לדמיין כיצד מערכות המשנה של בדיקת CRASH-P מקיימות אינטראקציה זו עם זו, מוצג תרשים ניסיוני באיור 4. תרמו-קופלים בתוך תא CRASH-P שולטים בנתוני ההזנה למערכת רכישת הנתונים באמצעות מגבר תרמו-סקופ. בקר הטמפרטורה מפעיל ממסר חשמלי, שמדליק ומכבה את תנורי החימום החשמליים. זה מבטיח כי פרופיל החימום הנכון מושג עבור מדגם דלק רקטות. כאשר מתרחשת הצתה אוטומטית של המדגם, מערכת רכישת הנתונים מפעילה את האיסוף של נתוני לחץ דינמי במהירות גבוהה ב- 50,000 דגימות/ש'. לאחר מכן הבדיקה מסתיימת, הנתונים נשמרים ומערכת בקרת הטמפרטורה כבויה. לאחר 12 שעות לפחות, תא CRASH-P צריך להיות בטמפרטורת החדר, וכל גזי מוצר ניתן למצות.
תוצאות מייצגות אופייניות נראות באיור 5. עקבות טמפרטורה מסופקות עבור האוויר התא הפנימי וטמפרטורת דחף פנימי על ידי מערכת רכישת הנתונים. תגובות אקסותרמיות קלות לפני ההצתה נמדדות לעתים קרובות יחד עם התגובה האקסותרמית העיקרית. בדרך כלל, התגובה האקסותרמית אינה אלימה מספיק כדי לשבור את חרוז התרמי, כך שניתן ללכוד את האירוע כולו. בנוסף, קריאות לחץ דינמיות לתגובה נרשמות עבור מדי לחץ דינמיים מלפנים, מאחור ובעורף. כמו רוב אירועי הבישול במעבדה, ניתן להעריך את מצב מיכל הדגימה לאחר התגובה לנזק(איור 5C). לבסוף, איור 5D מראה שיכולה להיות מידה לא מבוטלת של שונות מדודה באלימות התגובה של דגימות דלק שונות, מה שמאפשר לכמת את האלימות ולהשוות את התגובות השונות. באופן כללי, לתגובות לחץ מהירות יותר היו יותר פיזור או רעש בנתוני הלחץ (איור 5D), אשר עולה בקנה אחד עם התנודות הגדולות יותר של התא עקב תגובה אלימה יותר.
איור 1:הכנה ואיטום של דגימות CRASH-P. (A)מרכיבי דלק רקטי מעורבבים במיקסר פלנטרי. (B)דלק רקטות יצוק לתוך מחזיק מדגם עם מנדרל פוליטרפלואורואתילן. (C)דגימות דלק נחתכות, וטבעת O ממוקמת במיכל למטרות איטום. (D)מיכל לדוגמה אטום ומוברג. כליאה לדוגמה זהה לזו של מנועי רקטות בפועל. קיצור: CRASH-P = ניתוח קצב בעירה של דלק מחומם לאט. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: טעינה והכנה לדוגמה של מבחן CRASH-P. מיקום לדוגמה הוא קריטי. (A)דגימות ממוקמות על קרש ומחוממות באופן מרכזי על ידי ההקמה הטבעית במהלך הבדיקה. (B)המדגם מוברג ומוחזק במקום על הקרש. (C)תרמו-סקופים ממוקמים על הקרש ובתוך דגימת הדחף למטרות בקרת טמפרטורה ואבחון. (D)תא CRASH-P אטום, ותנורי רצועת מחוברים לאספקת חשמל VAC 220 הנשלטת על ידי בקר הטמפרטורה. קיצור: CRASH-P = ניתוח קצב בעירה של דלק מחומם לאט. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: מכשור ורכישת נתונים עבור מבחן CRASH-P. (A)מרכך אותות לחץ דינמי, מגבר תרמו-קירור (B),בקרות חימום בדיקה (C) ו- (D)רכישת נתונים במהלך הבדיקה. . קיצור: CRASH-P = ניתוח קצב בעירה של דלק מחומם לאט. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: סכמטי ניסיוני של מבחן CRASH-P. מערכת ניטור הטמפרטורה שולטת בקצב החימום. חיישני לחץ דינמיים לכמת את אלימות התגובה של אירוע ההצתה האוטומטית, ומערכת רכישת נתונים מתעדת את כל נתוני הבדיקה האלה לניסוי. התרסקות-P = ניתוח קצב בעירה של דלק מחומם לאט. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: נתוני בדיקה מייצגים עבור נסיעת בדיקת CRASH-P. (A)עקבות טמפרטורה במהלך בדיקה. (B)קריאות לחץ דינמיות אחוריות, אחוריות וחזית. (C)מיכל מדגם CRASH-P לאחר בדיקה. (ד)השוואה בין קריאות לחץ דינמיות קדמיות לשישה ניסוחים שונים של דלק רקטות. התרסקות-P = ניתוח קצב בעירה של דלק מחומם לאט. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Discussion
אחד החלקים החשובים ביותר בהקמת מבחן CRASH-P היה להחליט באיזה מדד מהבחינה ישמש בצורה הטובה ביותר לכימות האלימות התגובהית של ניסוחי דלק הרקטות. המהירות וכמות הלחץ המופקת מהתגובה היא פרופורציונלית ישירות לכוח המיוצר על ידי דלק הרקטות בעת תגובה. זה גם מקביל ישירות למד לחץ יתר פיצוץ המשמש במבחן SCO בקנה מידה מלא. בתחילה, נעשה שימוש בשיעור לחץ (dP/dt), אך נתונים אלה היו מטעים מכיוון שניסוחים שונים מכילים כמויות שונות של דלק ומחמצן ומייצרים כמויות שונות של גז בהרכב משתנה. כדי למזער הטיה זו מההשפעות של שינוי מרכיבי הניסוח, נעשה שימוש בלחץ שיא של 90% במקום, והוא התאים היטב עם אלימות מבחן SCO בקנה מידה מלא.
פעולת בדיקה נוספת שנמצאה חשובה היא הכליאה. מחזיקי מדגם מוקדם נעשו עם חומרים תרמופלסטיים שנועדו להתמודד עם הטמפרטורות הגבוהות של הבדיקה. למרבה הצער, בעוד דגימות אלה לא נמסו, הם התרככו ולא סיפקו את אותו כליאה כמו מחזיקי דגימת מתכת. אלימות התגובה של דגימות אלה הייתה נמוכה באופן ניכר מאלימות התגובה של בעלי מדגם מתכת. ממצא מרכזי נוסף על הבדיקה היה כי כמה ניסוחים דלק רקטות היו גדלים קריטיים כדי להתגית באופן אוטומטי. ניסוחים בוגרים התקשו לבשל ולהצית אוטומטית אם הם היו מתחת ל -50 גרם. זה יוחס לדרישה של כמות סף של אמוניום perchlorate שנדרש לתגובה האלימה. בנוסף, תובנה נוספת הייתה שברגים תרמופלסטיים לא עבדו. ברגי מחזיק מדגם CRASH-P המקוריים נעשו מ- PEEK, והיה צריך לשנות זאת לפלדת אל-חלד. הכליאה לא הייתה חזקה מספיק בגלל חומר PEEK שהתרחב תרמית לפני שהושגה הצתה אוטומטית של דלק.
עבור ניסוחים מסוימים להצית בטמפרטורות גבוהות יותר, בעיקר ניסוחים אלומיניום, באמצעות מארז מחזיק דלק אלומיניום רצוי כפי שהם לא לרכך בטמפרטורות גבוהות יותר. לבסוף, חיישני לחץ דינמיים של ICP היו חיישני הלחץ המקוריים בהם נעשה שימוש. עם זאת, לאחר ~ 10 בדיקות, התוצאות יש יותר ויותר רועש, כנראה מלהיות חשוף לטמפרטורה גבוהה מדי. חיישני הלחץ הדינמיים הוחלפו מחיישני ICP כדי לטעון חיישני מגבר. עם זאת, חיישני מגבר הטעינה מאבדים טעינה אם הם נשארים למשך זמן רב מדי. כדי למזער אפקט זה, ממיר מגבר ל- ICP של טעינה בשורה שימש במורד הזרם באזור טמפרטורה בטוח. מכיוון שקצב הדגימה המרבי של חיישן הלחץ הוא 500,000 דגימות/ש', ניתן היה לרשום קצבי דגימה מהירים יותר מ-50,000 דגימה/ש'. עם זאת, לא היה צורך בכך מכיוון שהאירועים לא היו כל כך מהירים.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
המחברים רוצים להודות לתוכנית טכנולוגיית התחמושת המשופרת המשותפת. מר אנתוני דיסטסיו וג'פרי ברוק סייעו לוודא שהעבודה הזו הושלמה.
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).
