Summary
Vi presenterer en protokoll for en laboratorieskala langsom avkokstest for solide rakettpropeller kalt forbrenningshastighetsanalysen av en sakte oppvarmet propellant (CRASH-P) test. Begrensede rakettpropeller varmes sakte opp til autoignition, og både koketemperaturen og reaksjonsvolden måles med dynamiske trykksensorer.
Abstract
Solide rakettpropeller er mye brukt til fremdriftsapplikasjoner av militære og romfartsbyråer. Selv om de er svært effektive, kan de være farlige for personell og utstyr under visse forhold, med langsom oppvarming under begrensede forhold som en spesiell fare. Dette dokumentet beskriver en rimeligere laboratorietest som er enklere å sette opp og ble utviklet for screening av rakettdrevne ingredienser. Rakettpropeller kastes i prøveholdere som er designet for å ha samme innesperring som standard rakettmotorer (propellvolum til totalt volum i beholderen) og sikrer at propellen ikke lett blir ventilert. Reaksjonsvold kvantifiseres når det tar å nå 90% av det maksimale trykket etter autoignition, noe som er analogt med å sprenge overtrykksmålere som brukes til å måle vold i en fullskala test. Det ble observert en positiv sammenheng mellom hastigheten og trykket som ble produsert av reaksjonen og kraften som produseres av rakettdrivstoffet under reaksjonen.
Introduction
Solide rakettpropeller brukes mye i forsvars-, rom- og gassgenererende applikasjoner. De er relativt pålitelige drivstoff som utfører mange funksjoner ekstremt bra. Imidlertid inneholder mange rakettpropeller farlige ingredienser som ammoniumperklorat (AP). Rakettpropeller med disse oksidatorene kan eksplodere voldsomt når de sakte oppvarmes1,2,3. Det har vært flere høyprofilerte ulykker med langsom oppvarming av rakettpropant eller rakettdrivstoffingredienser som har trukket oppmerksomheten mot disse problemene som brann og påfølgende koking av ammunisjon på USS Forrestal4 og PEPCON-eksplosjonen1. Selv om dette heldigvis er sjeldne hendelser, kan de være ødeleggende på grunn av personell- og utstyrstapene som oppstår. Derfor er det motivasjon for å forstå volden i disse reaksjonene og drive dem ned når det er mulig. En av hovedårsakene til voldelige avkokshendelser med rakettdrivstoff er at mange av ingrediensene delvis brytes ned, og etterlater reaktive produktgasser sammen med oksidatoren med et forbedret reaktivt overflateareal.
Et spesifikt eksempel på dette er det ioniske saltet, ammoniumperklorat. Lavtemperaturnedbrytningen av ammoniumperklorat trekkes ut og ufullstendig, og etterlater reaktive mellomprodukter innenfor et propellantrammeverk med betydelig porøsitet og overflateareal tilgjengelig for etterfølgende reaksjoner5,6,7,8,9. I tillegg kan rakettpropeller som inneholder ammoniumnitrat og eksplosive nitraminforbindelser ha svært voldelige reaksjoner når de oppvarmes sakte10,11,12. Langsom kokkevold er en viktig ufølsom ammunisjonsmetrikk fordi mange raketter er lovpålagt å bestå disse testene13. For tiden er den beste måten å avgjøre om en rakettdrivstoffformulering reagerer for voldsomt under langsomme oppvarmingsforhold, å kjøre en langsom cook-off (SCO) test på en fullskala rakettmotor. Disse testene innebærer å ta en rakettmotor i full størrelse og varme den sakte i en engangs konveksjonsovn.
Temperaturspor gis flere steder frem til reaksjonen der volden deretter vurderes basert på ulike indikatorer som spenner fra beholderskade og fragmentering til enkle overtrykksmålere og dynamiske trykksensorer for måling av eksplosjonstrykk. Disse fullskala testene er ofte dyre og er ikke praktiske for å undersøke mindre endringer i propellantingredienser14. Det er utviklet noen laboratorieskalatester som involverer oppvarming av propeller eller eksplosiver i en rekke konfigurasjoner og vurdering av beholderskade etter autoignition-hendelsen. Selv om nåværende laboratorieskalatester forutsier tid til å lage mat godt og noen ganger autoignitiontemperaturen15,16,17, er de mindre i stand til å forutsi volden.
En vanlig brukt test er den variable inneslutningskoketesten18 som sakte oppvarmer en sylinder av propellant til den antennes. Reaksjonens vold bestemmes av fragmentering av kammeret og bolter under den eksotermiske autoignitionreaksjonen. De vanligste laboratorietestene bruker kammerets endelige tilstand til å rangere reaksjonsvold, og det er en grad av subjektivitet i vurderingen. Små forskjeller i reaksjonsvold er vanskelig å fastslå. Denne vurderingen av vold er kvalitativ i naturen, og det kan være vanskelig å vurdere om en endring i en formuleringsingrediens endret SCO-volden. Videre, i motsetning til en faktisk rakettmotor, begrenser ikke nåværende laboratorietester propellen inne i et etui. Produktgasser kan lett unnslippe, og dette er viktig fordi gassene kan reagere med propellanten heterogent eller være reaktive selv, som i tilfelle av ammoniakk og perklorsyre hvis ammoniumperklorat brukes.
En av de beste anstrengelsene for å instrumentere en laboratorietest involverte bruk av en dynamisk trykksensor på en litenskala cook-off bombe19. Dette gjorde det mulig å fastslå høyere oppløsning, kvantifiserbare forskjeller i reaksjonsvold for relativt små endringer i rakettdrivstoffformulering. Et kritisk problem med denne testen er imidlertid at den ikke begrenset rakettpropellene på samme måte som en faktisk rakettmotor, og mange modellerings- og underskalaeksperimenter har vist at dette er en viktig faktor for vurdering20. I tillegg har propellen vanligvis ikke samme mengde eksponert overflateareal eller samme frie volum og er ikke geometrisk begrenset på samme måte som en fullskala test. Forbrenningshastighetsanalysen av en sakte oppvarmet propellant (CRASH-P) test ble unnfanget for å forbedre disse tidligere testene. Prøver mellom 25 g og 100 g kan testes under lignende kjøreforhold som en fullskala test21. Det gir også et middel til å måle kraften som produseres fra reaksjonshendelsen kvantitativt gjennom dynamiske trykksensormålinger, noe som er noe dagens underskalatester ikke gir. Resultatene har vist seg å korrelere godt med fullskala SCO-tester.
Protocol
1. Klargjøring av propellantprøve
- Bland forsiktig propellingredienser (polymerharpiks, myknere og partikler av fast brensel og oksidasjonsmiddel) sammen i en roterende planetmikser i en angitt varighet.
MERK: Varigheten av blandingen avhenger av den spesifikke formuleringen, men de fleste blandinger tar minst 2 timer. - Støpt uhelbredet rakettpropant inn i en spesiallaget CRASH-P-prøveholder. Plasser en polytetrafluoretylenmandrel i midten av prøveholderen mens du caster for å skape en senterperforering når propellanten kurerer. Bruk en mandrelholder (figur 1) for å sikre at senterperforeringen i propellen er rett og konsistent.
MERK: CRASH-P prøveholdere bør skaleres for å ha samme propellvolum til internt kammervolum som en faktisk rakettmotor for å etterligne propellens innesperring av en fullskala rakettmotor. CRASH-P prøveholdere er laget av polyeter eter keton (PEEK) eller aluminium. Selv om rakettformuleringer uten metallbrensel kan bruke PEEK, bør metalliserte formuleringer bruke aluminiumsholdere slik at de ikke smelter for tidlig under autoignition. - Plasser CRASH-P-prøver i en ovn for å akselerere eventuelle polyuretanreaksjoner eller annen kjemi som kreves for å kurere propellen. Hold ovnstemperaturen ved 60 °C for uretankurer, og øk eller reduser temperaturen avhengig av rakettdrivstoffingrediensene.
- Etter at propellene har herdet, trim dem slik at overflødig propellant ikke stikker ut fra prøveholderoverflaten og forstyrrer O-ringens ansiktstetning. Fjern mandrelen trygt fra hver formulering ved å trekke den forsiktig ut.
MERK: Propellen skal trimmes med et barberblad eller en annen skarp gjenstand for å minimere friksjonssliting mot propelloverflaten. - Plasser en silikon O-ring inne i CRASH-P-prøveholderens ansikt for en riktig trykktetning (Figur 1).
MERK: O-ringstørrelsen varierer avhengig av størrelsen på CRASH-P-prøveholderen. For eksempel brukes en O-ring i 025-størrelse til 25 g-testen, og en O-ring i 128 størrelse brukes til 50 g-testen. - Skru dekselet på CRASH-P-prøveholderen, og stram det med en unbrakonøkkel. Stram boltene i et stjernemønster for å fordele tetningskraften jevnere.
2. CRASH-P kammer forberedelse
- Kontroller at CRASH-P-kammeret ikke er trykksatt ved å åpne eksosventilen som er festet til CRASH-P-kammeret. Fjern kammerdekselet, hetten og skyveskiven fra CRASH-P-kroppen. Fest en plank til CRASH-P-hetten for å holde CRASH-P-prøvene.
- Rengjør CRASH-P-kammeret for å fjerne spor etter den siste testen. Skrubb alle forbrenningsrester med en trådbørste, og rengjør kammeret med et organisk løsningsmiddel som etanol, isopropanol, aceton eller metyletyl keton. Kast engangsrengjøringsmidler som farlig avfall i henhold til lokale og nasjonale forskrifter.
MERK: Personlig verneutstyr bør brukes ved rengjøring med de oppførte løsningsmidlene, for eksempel øyebeskyttelse, et passende laboratoriebelegg eller kjemisk motstandsdyktige hansker. - Inspiser CRASH-P dynamiske trykksensorer for uvanlig slitasje.
MERK: Sensorene bruker en innfelt montering med CRASH-P-kammeret fordi de bare kan håndtere en maksimal temperatur på 204 °C for å forhindre skade på den interne elektronikken. Disse høytemperatur, ladeforsterkerte sensorene bruker en nedstrømskonverterer (se materialtabellen) for å endre signalet til et integrert kretspazoelektrisk (ICP) signal. - Fjern 1/8 tommers American National Pipe Thread (NPT)-beslag som fester trykksensorene til CRASH-P hoveddelen. Rengjør eventuelle forbrenningsrester med en slikkepott eller organisk løsningsmiddel. Løsne trykksensoren fra NPT-koblingen.
- Fyll NPT-koblingen med romtemperaturvulcanizing silikonforseglingsmiddel. Tre trykksensoren inn igjen, og kontroller at noe av tetningsmassen er ekstrudert. Tørk av tetningsmassen slik at den er i flukt med 1/8 tommers NPT-beslag.
- La tetningsmassen kurere i minst 12 timer. Installer de NPT-koblede trykksensorene på nytt for å beskytte sensorene mot eksplosjonsinduserte temperaturfeil i de dynamiske trykkavlesningene.
- Forbered elektriske gjennommatinger for temperaturdiagnostikken. Strips de termokoblingstrådene i isolasjonen, og kjør de nakne ledningene gjennom gjennommatingsisolasjonshylsen.
MERK: Modellen og typen av de elektriske gjennommatingene vil variere avhengig av trådmåleren og mengden gjennomførsel som trengs. Se materialtabellen for de elektriske gjennommatingene som brukes i CRASH-P-kammeret. - Bruk standard K-type termokoblinger for CRASH-P-testen, da temperaturen og samplingsfrekvensene for testen er ganske standard. Installer en paringstilkobling i den andre enden av gjennomførselen.
MERK: Av produktivitetshensyn oppfordres det til å lage flere elektriske feedthroughs. - Tre de to elektriske innmatingene gjennom kammerhetten. La det være minst 0,3 m termokobling for hver gjennomførsel inne i kammeret. Påse at den beadede siden av termokoblingene er inne i CRASH-P-kammeret.
3. Installasjon av propellantprøve
- Skru den forseglede CRASH-P-prøven til stålplanken (figur 2B) festet til kammerhetten på CRASH-P-testen for å holde prøven midt i kammeret.
MERK: Påse at prøven er midt i kammeret uten å berøre karveggen, sikrer at prøven varmes opp ved konveksjon i stedet for ledning. - Plasser en av termokoblingene fra de elektriske gjennommatingene inne i den propellante prøveholderen for å fange opp eventuelle eksotermiske reaksjoner. Plasser en annen termokobling på stålplanken, og pek opp for å prøve lufttemperaturen inne i CRASH-P-kammeret (figur 2). Påse at termokoblingsprøven av lufttemperaturen er den kontrollerende termoelementet for temperaturregulatoren.
- Plasser tetningsringen i det ringlignende innrykket på CRASH-P-kammeret. Pass på at tetningsringen er ren for fremmedlegemer.
- Når prøven er ordentlig festet på planken og termokoblingene er plassert riktig, skyver du kammerhetten inn i kammerets kropp. Pass på at du ikke roterer kammerhetten ved å merke kammerhetten.
- Bruk en sylindrisk stang til å sette inn skyveskiven og helt gjenge og stram festehodet til kammeret.
- Monter sekskantskruen på 7/8"-9 settskruen i kammerhodet. Stram dem i et stjernemønster for å sikre at kammeret strammes jevnt. Bruk en momentnøkkel for den endelige kammerstrammingen for å sikre jevn tetning.
MERK: Vanligvis er 169,48 N∙m tilstrekkelig for jevn tetning. - Monter kammerholderklemmene, og hold dem på plass med dowelpinner. Bruk eventuelt en gummi mallet for å sikre en tettsittende passform for muslingen og forhindre vertikal bevegelse fra kammeret.
- Monter kammerets endeplate ved å bolte denne på testbordet for å forhindre at CRASH-P-testen blir aksial bevegelse under en tenningshendelse.
- Koble koaksialkablene for den dynamiske trykksensoren til signalkondisjoneringsanlegget. Koble de elektriske båndvarmerne (figur 2D) til stikkontaktene som kobles til temperaturregulatorene, slik at båndvarmerne kan styres av en temperaturregulator som leverer 220 VAC strøm til varmeovnene.
4. Sette opp og sjekke testinstrumentering
- Programmer temperaturregulatoren (krever 120 VAC strøm) slik at den overfører et 24 V-signal til en solid state relay-a-bryter som bestemmer når varmeeffekten slås på eller av.
MERK: Som enhver kokketest er programmering av temperaturregulatoren avgjørende for å kjøre pålitelige tester. - Still inn temperaturregulatoren før testen for å få de riktige varmeegenskapene.
MERK: Den proporsjonale gevinsten, de integrerte egenskapene og hastigheten bør alle stilles inn for å minimere svingninger og overshoot. - Still inn temperaturverdiene som trengs for de 16 tidsintervallene på temperaturregulatoren. Bruk de tre første intervallene til å sette opp en rampe og suge periode der temperaturen holdes ved 50 °C i minst 2 timer. Deretter angir du intervallene for å levere datapunktene til testen for å ha en lineær varmeprofil som ikke endrer helling under testen (15 °C/t er målet), og sett den endelige temperaturen til 300 °C.
- Kontroller at innløps- og utløpsledningene er koblet til det dynamiske trykksignalkondisjoneringsanlegget. Slå på det dynamiske trykksignalkondisjoneringsanlegget. Hvis det ikke er angitt noen shorts, går du videre til neste trinn.
MERK: Et rødt lys lyser for en kort sensor. - Bruk tre K-type termokoblinger hvis ender slutter inne i en termoelementforsterker, og sørg for at forsterkeren er slått på. Slå på overvåkingskameraet for testen for å ta opp CRASH-P-testen via video, slik at operatørene kan se om noe skjer med kammeret eksternt. Slå på den elektriske strømmen til varmeovnene på kontrollkonsollen (figur 3), og slå på temperaturregulatoren for å kjøre testen eksternt.
- Slå RSEN på CTRL-siden på temperaturregulatoren. Trykk på AUX-knappen på temperaturregulatoren for å endre testtilstanden fra standby til å kjøre, slik at testen begynner å varme opp kammeret.
5. Datainnsamling og testopprydding
- Konstruer en arbeidsbenk i datainnsamlingssystemprogramvaren for å sette opp to forskjellige regioner for innsamling av testdata: en for trykk som skal måles av hovedkortet og den andre for temperaturer som skal tas for termokoblingsforsterkeren (Figur 3).
- Sjekk datainnsamlingssystemet for å se om det var en utløst hendelse, noe som innebærer at prøven opplevde en eksotermisk reaksjon og kan stoppes. Still inn systemet til å kjøre på en utløst feiemekanisme slik at etter at en terskelspenning er nådd, går trykkprøvetakingshastigheten fra en prøve i sekundet til 50 000 prøver / s for å nøyaktig løse arbeidet som er gjort av den reagerende prøven under autoignition.
MERK: Inerte tester bør kjøres på forhånd for å undersøke hvordan varmehastigheten skal kontrolleres. Ladeforsterkerne sensorer kan prøve med en hastighet på opptil 500 000 prøver, men den hastigheten er vanligvis ikke nødvendig for denne testen. - Hvis en eksotermisk utløst reaksjon observeres, trykker du på stoppknappen på datainnsamlingsprogramvaren. Siden datainnsamlingen ikke slutter på egen hånd, må du regelmessig sjekke testen for å se etter enten en temperatureksoterm eller en utløst trykkrespons. Hvis en av disse blir observert, må du stoppe opptaket manuelt og slå av varmeapparatets strøm-, video- og temperaturregulator.
- Eksporter temperatur- og trykkdataene manuelt til tekstfiler som er tabulatordelt, og sørg for at trykk- og temperaturdata eksporteres separat på grunn av de forskjellige samplingsfrekvensene. Overfør tekstfilene til en annen datamaskin for å utføre dataanalyse på resultatene.
- Vent i minst 12 timer til testen er avkjølt før testkammeret demonteres. Luft kammeret for å frigjøre eventuelle produktgasser fra den eksotermiske reaksjonen. Demonter testkammeret forsiktig.
MERK: Bruk personlig verneutstyr- kjemisk/flammebestandig labjakke, passende hansker og et åndedrettsvern som rakettpropantprodukter kan være farlige. - Rengjør kammeret og alle komponentene, og ta opp prøvebeholderfragmenter av prøveholderen.
6. CRASH-P dataanalyse
MERK: Dataanalysen består av de faktiske temperatursporene og de utløste dynamiske trykkdataene. Datainnsamlingssystemet markerer plasseringen av utløseren, og brukeren kan se tidspunktet da dette skjedde. Utløseren tilsvarer en dynamisk trykkverdi som er 5 % høyere enn grunnlinjen.
- Stopp opptaket i programvaren, og eksporter temperatur- og trykkdataene til tabulatordelte tekstfiler.
- Åpne tekstfilene med grafer programvare. Kontroller dataene for temperatureksotermer som tenningstemperaturen kan bestemmes fra, og kontroller hvor raskt kammeret trykks.
- Sammenlign CRASH-P-resultatene med fullskala SCO-testdata for formuleringen som testes, hvis disse er tilgjengelige. Sammenlign autoignition temperatur og reaksjon vold.
Representative Results
For å hjelpe leseren med å visualisere hvordan delsystemene i CRASH-P-testen samhandler med hverandre, vises et eksperimentelt skjema i figur 4. Termokoblinger inne i CRASH-P-kammeret kontrollerer fôrdataene til datainnsamlingssystemet gjennom en termokoblingsforsterker. Temperaturregulatoren betjener et elektrisk relé, som slår de elektriske båndvarmerne av og på. Dette sikrer at riktig varmeprofil oppnås for rakettpropantprøven. Når autoignition av prøven oppstår, utløser datainnsamlingssystemet innsamling av høyhastighets dynamiske trykkdata ved 50 000 prøver/ s. Testen avsluttes deretter, dataene lagres og temperaturkontrollsystemet slås av. Etter minst 12 timer skal CRASH-P-kammeret være ved romtemperatur, og eventuelle produktgasser kan være oppbrukt.
Typiske representative resultater vises i figur 5. Temperaturspor er gitt for innvendig kammerluft og den interne drivstofftemperaturen av datainnsamlingssystemet. Mindre eksotermiske reaksjoner før tenning måles ofte sammen med den viktigste eksotermiske reaksjonen. Vanligvis er den eksotermiske reaksjonen ikke voldelig nok til å bryte termoelementet perle, slik at hele hendelsen kan fanges. I tillegg registreres dynamiske trykkavlesninger for reaksjonen for fremre, bakre og bakre dynamiske trykkmålere. Som de fleste laboratoriekokehendelser kan tilstanden til prøvebeholderen etter reaksjon vurderes for skade (Figur 5C). Til slutt viser figur 5D at det kan være ganske stor grad av målt variasjon i reaksjonsvolden til ulike drivkreftprøver, slik at volden kan kvantifiseres og sammenlignes for de forskjellige reaksjonene. Generelt hadde raskere trykkreaksjoner mer spredning eller støy i trykkdataene (Figur 5D), som er i samsvar med den større svingningen i kammeret på grunn av en mer voldelig respons.
Figur 1: Tilberedning og tetting av CRASH-P-prøver. (A) Rakettpropantingredienser blandes i en planetarisk mikser. (B) Rakettpropellen kastes i en prøveholder med polytetrafluoretylenmandrel. (C) Propellantprøver trimmes, og en O-ring plasseres i beholderen for tetningsformål. (D) Prøvebeholderen er forseglet og boltet. Prøve innesperring er det samme som for faktiske rakettmotorer. Forkortelse: CRASH-P = Forbrenningshastighetsanalyse av et sakte oppvarmet drivstoff. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Prøvelasting og klargjøring av CRASH-P-testen. Eksempelplassering er kritisk. (A) Prøver plasseres på en plank og oppvarmes sentralt ved naturlig konveksjon under testing. (B) Prøven er boltet og holdt på plass på planken. (C) Termokoblinger plasseres på planken og inne i propellantprøven for temperaturkontroll og diagnostiske formål. (D) CRASH-P-kammeret er forseglet, og båndvarmere er koblet til en 220 VAC strømforsyning som styres av temperaturregulatoren. Forkortelse: CRASH-P = Forbrenningshastighetsanalyse av et sakte oppvarmet drivstoff. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Instrumentering og datainnsamling for CRASH-P-testen. (A) Dynamisk trykksignalkondisjonering, (B) termokoblingsforsterker, (C) testoppvarmingskontroller og (D) datainnsamling under testen. . Forkortelse: CRASH-P = Forbrenningshastighetsanalyse av et sakte oppvarmet drivstoff. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Eksperimentelt skjema av CRASH-P-testen. Temperaturovervåkingssystemet styrer oppvarmingshastigheten. Dynamiske trykksensorer kvantifiserer reaksjonsvolden til autoignition-hendelsen, og et datainnsamlingssystem registrerer alle disse testdataene for eksperimentet. CRASH-P = Forbrenningshastighetsanalyse av en langsomt oppvarmet propellant. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Representative testdata for CRASH-P testkjøring. (A) Temperaturspor under en test. (B) Dynamiske trykkavlesninger bak, bak og foran. (C) CRASH-P prøvebeholder etter test. (D) Sammenligning av fremre dynamiske trykkavlesninger for seks forskjellige rakettpropantformuleringer. CRASH-P = Forbrenningshastighetsanalyse av en langsomt oppvarmet propellant. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Discussion
En av de viktigste delene av etableringen av CRASH-P-testen var å bestemme hvilken beregning fra testen som best ville bli brukt til å kvantifisere reaksjonsvolden til rakettdrivstoffformuleringene. Hastigheten og mengden trykk som produseres fra reaksjonen er direkte proporsjonal med kraften som produseres av rakettpropellen når den reagerer. Det er også direkte analogt med eksplosjonsovertrykksmåleren som brukes i en fullskala SCO-test. I utgangspunktet ble trykkhastighet (dP/dt) brukt, men disse dataene var villedende fordi forskjellige formuleringer inneholder forskjellige mengder drivstoff og oksidasjonsmiddel og produserer forskjellige mengder gass med varierende sammensetning. For å minimere denne skjevheten fra effekten av å endre formuleringsingrediensene, ble tiden til 90% topptrykk brukt i stedet, og det korrelerte godt med fullskala SCO-testvold.
En annen testoperasjon som ble funnet å være viktig er innesperring. Tidlige prøveholdere ble laget med termoplastiske materialer designet for å håndtere de høye temperaturene i testen. Dessverre, mens disse prøvene ikke smeltet, myknet de og ga ikke samme innesperring som metallprøveholdere. Reaksjonsvolden for disse prøvene var merkbart mindre enn reaksjonsvolden for metallprøveholdere. Et annet viktig funn om testen var at noen rakettdrivstoffformuleringer hadde kritiske størrelser for å autoignere pålitelig. Aluminiserte formuleringer hadde problemer med å lage mat av og autoigniting hvis de var under 50 g. Dette ble tilskrevet kravet om en terskel mengde ammoniumperklorat som var nødvendig for den voldelige reaksjonen. I tillegg var en annen innsikt at termoplastbolter ikke fungerte. De originale CRASH-P prøveholderboltene ble laget av PEEK, og dette måtte endres til rustfritt stål. Innesperring var ikke sterk nok på grunn av PEEK-materialet termisk ekspanderende før propellant autoignition ble oppnådd.
For noen formuleringer som antennes ved høyere temperaturer, hovedsakelig aluminiserte formuleringer, er det ønskelig å bruke et aluminiumspropantholderdeksel, da de ikke mykner ved høyere temperaturer. Til slutt var ICP dynamiske trykksensorer de opprinnelige trykksensorene som ble brukt. Men etter ~ 10 tester ble resultatene stadig mer støyende, sannsynligvis fra å bli utsatt for for høy temperatur. De dynamiske trykksensorene ble byttet fra ICP-sensorer til ladeforsterkersensorer. Ladeforsterkersensorer mister imidlertid ladingen hvis de blir stående på for lenge. For å minimere denne effekten ble en in-line charge amp-to-ICP-omformer brukt nedstrøms ved et trygt temperaturområde. Siden den maksimale samplingsfrekvensen til trykksensoren er 500 000 prøver/s, kan samplingsfrekvenser som er raskere enn 50 000 prøver/s, registreres. Det var imidlertid ikke behov for dette, da hendelsene ikke var så raske.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne vil takke Joint Enhanced Munitions Technology Program. Mr. Anthony DiStasio og Jeffrey Brock var medvirkende til å sørge for at dette arbeidet var fullført.
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).
