우리는 천천히 가열 된 추진제 (CRASH-P) 테스트의 연소 속도 분석이라고 하는 고체 로켓 추진제에 대한 실험실 규모의 느린 쿡 오프 테스트를위한 프로토콜을 제시합니다. 제한된 로켓 추진제는 자가화될 때까지 천천히 가열되며, 쿡오프 온도와 반응의 폭력은 동적 압력 센서로 측정됩니다.
고체 로켓 추진제는 군사 및 우주 기관의 추진 응용 분야에 널리 사용됩니다. 매우 효과적이지만 특정 조건에서 인력과 장비에 위험할 수 있으며 제한된 조건에서 느린 난방이 특정 위험입니다. 이 논문은 설치가 더 쉽고 로켓 추진제 성분을 선별하기 위해 개발된 보다 저렴한 실험실 테스트를 설명합니다. 로켓 추진체는 표준 로켓 모터(컨테이너내 총 부피의 추진제 부피)와 동일한 감금을 하고 추진제가 쉽게 배출되지 않도록 설계된 샘플 홀더로 캐스팅됩니다. 반응 폭력은 자율화 후 최대 압력의 90 %에 도달하는 데 걸리는 시간으로 정량화되며, 이는 본격적인 테스트에서 폭력을 측정하는 데 사용되는 과압 게이지폭발과 유사합니다. 반응 중 로켓 추진체에 의해 생성된 반응과 전력으로부터 생성된 속도와 압력 사이에서 긍정적인 상관관계가 관찰되었다.
고체 로켓 추진제는 방어, 우주 및 가스 생성 응용 제품에 광범위하게 사용됩니다. 그들은 매우 잘 많은 기능을 수행하는 상대적으로 신뢰할 수있는 연료입니다. 그러나, 많은 로켓 추진제는 암모늄 과염소산염 (AP)와 같은 위험한 성분을 포함합니다. 이러한 산화제를 가진 로켓 추진제는 천천히가열 할때 격렬하게 폭발 할 수 있습니다1,2,3. USS Forrestal4 및 PEPCON 폭발1에탄약의 화재 및 후속 조리 오프와 같은 문제에 관심을 끌고있다 로켓 추진제 또는 로켓 추진제 성분의 느린 가열과 여러 가지 높은 프로필 사고가 있었다. 다행히 드문 사건이지만, 발생하는 인력과 장비 손실로 인해 치명적일 수 있습니다. 따라서 이러한 반응의 폭력을 이해하고 가능하면 그들을 몰아 내려갈 동기가 있습니다. 로켓 추진제로 격렬한 조리-오프 이벤트의 주요 원인 중 하나는 많은 성분이 부분적으로 분해되어 반응성이 있는 제품 가스와 산화기와 함께 반응성 표면적이 향상된다는 것입니다.
이것의 한 특정 보기는 이온염, 암모늄 과염소산염입니다. 과염소암모늄의 저온 분해는 그려지고 불완전하며, 후속반응5,6,7,8,9에사용할 수 있는 실질적인 다공성 및 표면적을 가진 추진제 프레임 워크 내에서 반응성 중간 제품을 남깁니다. 또한, 질산암모늄과 폭발성 니트라민 화합물을 함유한 로켓 추진제는10,11,12를천천히 가열할 때 매우 격렬한 반응을 가질 수 있다. 느린 요리 -off 폭력은 많은 로켓이 시험을 통과하기 위해 법에 의해 요구되기 때문에 중요한 무감각 군수 메트릭입니다13. 현재, 로켓 추진제 제형이 느린 가열 조건에서 너무 격렬하게 반응하는지 여부를 결정하는 가장 좋은 방법은 본격적인 로켓 모터에서 느린 쿡 오프 (SCO) 테스트를 실행하는 것입니다. 이러한 테스트는 풀 사이즈 로켓 모터를 복용하고 일회용 대류 오븐에서 천천히 가열하는 것을 포함합니다.
온도 추적은 컨테이너 손상 및 단편화에서부터 간단한 과압 게이지 및 폭발 압력을 측정하기 위한 동적 압력 센서에 이르기까지 다양한 지표에 따라 폭력을 평가하는 반응까지 여러 위치에서 제공됩니다. 이러한 본격적인 테스트는 종종 비싸며 추진제성분(14)의사소한 변화를 조사하기위한 실용적이지 않습니다. 다양한 구성으로 추진제 나 폭발물을 가열하고 자가 화기 사건 후 컨테이너 손상을 평가하는 몇 가지 실험실 규모의 테스트가 개발되었습니다. 현재 실험실 규모 테스트는 잘 요리할 시간을 예측하고 때로는 자동 온도15,16,17을예측할 수 있지만 폭력을 예측할 수 없습니다.
일반적으로 사용되는 테스트 중 하나는 가변 감금 쿡 오프 테스트18으로, 프로프제 실린더가 점화될 때까지 천천히 가열됩니다. 반응의 폭력은 외래적 자가화 반응 중에 챔버와 볼트의 단편화에 의해 결정된다. 가장 일반적인 실험실 테스트는 반응 폭력을 순위 챔버의 최종 조건을 사용, 평가에 주관성의 정도가있다. 반응 폭력의 작은 차이는 결정하기 어렵다. 이러한 폭력 평가는 본질적으로 질적이며, 제형 성분의 변화가 SCO 폭력을 변화시켰는지 여부를 평가하기어려울 수 있습니다. 또한 실제 로켓 모터와 달리 현재 실험실 테스트는 케이스 내부의 추진제를 제한하지 않습니다. 제품 가스는 쉽게 빠져나설 수 있으며, 이는 가스가 이질적으로 추진제와 반응하거나 반응성이 있을 수 있기 때문에, 암모니아 및 과염소산이 사용되는 경우와 같이 매우 중요하다.
실험실 스케일 테스트를 계측하는 데 가장 좋은 노력 중 하나는 소규모 쿡 오프 폭탄19에동적 압력 센서를 사용하는 것과 관련이 있습니다. 이를 통해 로켓 추진제 제제의 비교적 사소한 변화에 대해 반응 폭력의 더 높은 해상도, 정량화 가능한 차이를 결정할 수 있었습니다. 그러나 이 시험의 중요한 문제점은 실제 로켓 모터와 동일한 방식으로 로켓 추진제를 제한하지 않았으며 수많은 모델링 및 서브스케일 실험이고려 20을위한 중요한 요소임을 보여주었다는 것입니다. 또한, 추진제는 일반적으로 동일한 양의 노출 된 표면적 또는 동일한 자유 부피를 갖지 않으며 전체 스케일 테스트와 동일한 방식으로 기하학적으로 제한되지 않습니다. 천천히 가열된 추진제(CRASH-P) 테스트의 연소 속도 분석은 이러한 이전 테스트를 개선하기 위해 고안되었습니다. 25g에서 100g 사이의 샘플은 본격적인시험(21)과유사한 추진제 감금 조건하에서 테스트될 수 있다. 또한 동적 압력 센서 측정을 통해 반응 이벤트에서 생성된 전력을 정량적으로 측정하는 수단을 제공하며, 이는 현재 의 하위 스케일 테스트가 제공하지 않는 것입니다. 결과는 본격적인 SCO 테스트와 잘 상관 관계를 발견 되었습니다.
CRASH-P 테스트를 수립하는 데 있어 가장 중요한 부분 중 하나는 로켓 추진제 제제의 반응 폭력을 정량화하는 데 가장 적합한 메트릭을 결정하는 것이었습니다. 반응에서 생성된 압력의 속도와 양은 반응시 로켓 추진체에 의해 생성된 전력에 직접적으로 비례한다. 또한 본격적인 SCO 테스트에 사용되는 폭발 과압 게이지와 직접 유사합니다. 처음에는 가압 속도(dP/dt)가 사용되었지만, 이러한 데이터는 다른 제형이 다양한 양의 연료와 산화제를 포함하고 다양한 조성물로 다양한 양의 가스를 생산하기 때문에 오해의 소지가 있었습니다. 제형 성분의 변화 효과로부터 이러한 편견을 최소화하기 위해, 90%의 피크 압력으로의 시간이 대신 사용되었고, 본격적인 SCO 테스트 폭력과 상관관계가 있었다.
중요한 것으로 밝혀진 또 다른 테스트 작업은 감금입니다. 초기 샘플 홀더는 시험의 고온을 처리하도록 설계된 열가소성 재료로 만들어졌습니다. 불행히도, 이러한 샘플은 녹지 않았지만 금속 샘플 홀더와 동일한 감금을 제공하지 않았습니다. 이 견본에 대한 반응 폭력은 금속 견본 홀더를 위한 반응 폭력 보다는 눈에 띄게 적이었습니다. 테스트에 대한 또 다른 주요 발견은 일부 로켓 추진제 제형이 안정적으로 자동 점화하는 데 중요한 크기를 가지고 있다는 것이었습니다. 명루화된 제형은 50g 미만이면 요리하고 자동화하는 데 어려움을 겪었습니다. 이것은 폭력적인 반응에 필요한 암모늄 과염소산염의 임계 값 양의 요구 사항에 기인했다. 또한 열가소성 볼트가 작동하지 않는다는 또 다른 통찰력도 있었습니다. 원래 CRASH-P 샘플 홀더 볼트는 PEEK에서 만들어졌으며 스테인리스 스틸로 변경해야 했습니다. 추진제 자가화가 발생하기 전에 열적으로 팽창하는 PEEK 물질 때문에 감금은 충분히 강하지 않았다.
높은 온도에서 점화하는 일부 제형의 경우 주로 알루미네이트 제형, 알루미늄 추진제 홀더 케이스를 사용하는 것은 더 높은 온도에서 부드러워지지 않기 때문에 바람직하다. 마지막으로 ICP 동적 압력 센서는 원래 사용된 압력 센서였습니다. 그러나 ~ 10 개의 테스트 후, 결과는 아마도 너무 높은 온도에 노출되는 것에서 점점 더 시들해졌습니다. 동적 압력 센서는 ICP 센서에서 앰프 센서를 충전하도록 전환했습니다. 그러나 충전 증폭기 센서는 너무 오래 방치하면 충전을 잃게 됩니다. 이러한 효과를 최소화하기 위해 인라인 충전 앰프-ICP 컨버터가 안전한 온도 영역에서 다운스트림으로 사용되었습니다. 압력 센서의 최대 샘플링 속도는 500,000 개의 샘플 /s이기 때문에 샘플링 속도가 50,000 샘플 / s보다 빠릅니다. 그러나 이벤트가 그렇게 빠르지 않았기 때문에 이에 대한 필요가 없었습니다.
The authors have nothing to disclose.
저자는 공동 강화 탄약 기술 프로그램에 감사드립니다. 앤서니 디스타시오와 제프리 브록은 이 작업이 완료되었는지 확인하는 데 중요한 역할을 했습니다.
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 |