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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren danken dem Joint Enhanced Munitions Technology Program. Anthony DiStasio und Jeffrey Brock waren maßgeblich daran beteiligt, dass diese Arbeit abgeschlossen wurde.
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 |