Vi presenterar ett protokoll för ett test i laboratorieskala för fasta raketdrivmedel som kallas förbränningshastighetsanalys av ett långsamt uppvärmt drivmedel (CRASH-P) test. Trånga raketdrivmedel värms långsamt upp fram till autoignition, och både spirtemperaturen och reaktionsvåldet mäts med dynamiska trycksensorer.
Solida raketdrivmedel används ofta för framdrivningstillämpningar av militära och rymdorgan. Även om de är mycket effektiva kan de vara farliga för personal och utrustning under vissa förhållanden, med långsam uppvärmning under trånga förhållanden som en särskild fara. Detta dokument beskriver ett billigare laboratorietest som är lättare att ställa in och utvecklades för screening av raketdrivmedelsingredienser. Raketdrivmedel gjuts i provhållare som har konstruerats för att ha samma inneslutning som standardraketmotorer (drivmedelsvolym till total volym i behållaren) och se till att drivmedlet inte lätt kan ventileras. Reaktionsvåld kvantifieras av den tid det tar att nå 90% av det maximala trycket efter autoignition, vilket är analogt med blast övertrycksmätare som används för att mäta våld i ett fullskaligt test. Ett positivt samband observerades mellan den hastighet och det tryck som reaktionen gav upphov till och den effekt som raketdrivmedlet producerade under reaktionen.
Solida raketdrivmedel används i stor utsträckning i försvars-, rymd- och gasgenererande applikationer. De är relativt pålitliga bränslen som utför många funktioner extremt bra. Många raketdrivmedel innehåller dock farliga ingredienser som ammoniumperklorat (AP). Raketdrivmedel med dessa oxidationsmedel kan explodera våldsamt när de långsamt värmsupp 1,2,3. Det har inträffat flera uppmärksammade olyckor med långsam uppvärmning av raketdrivmedel eller raketdrivmedelsingredienser som har uppmärksammat dessa frågor som branden och efterföljande kokning av ammunition på USS Forrestal4 och PEPCON-explosionen1. Även om detta tack och lov är sällsynta händelser kan de vara förödande på grund av de personal- och utrustningsförluster som uppstår. Därför finns det motivation att förstå våldet i dessa reaktioner och driva ner dem när det är möjligt. En av de främsta orsakerna till våldsamma cook-off händelser med raket drivmedel är att många av ingredienserna delvis sönderdelas, lämnar reaktiva produktgaser bakom tillsammans med oxidationsmedel med en förbättrad reaktiv yta.
Ett specifikt exempel på detta är jonsalt, ammoniumperklorat. Lågtemperatur nedbrytningen av ammoniumperklorat dras ut och ofullständig, lämnar reaktiva mellanprodukter inom en drivmedelsram med betydande porositet och yta tillgänglig för efterföljande reaktioner5,6,7,8,9. Dessutom kan raketdrivmedel som innehåller ammoniumnitrat och explosiva nitraminföreningar ha mycket våldsamma reaktioner när de värmslångsamt 10,11,12. Långsamt cook-off våld är ett viktigt okänsligt ammunitionsmått eftersom många raketer krävs enligt lag för att klara dessa tester13. För närvarande är det bästa sättet att avgöra om en raketdrivmedelsformulering reagerar för våldsamt under långsamma uppvärmningsförhållanden att köra ett slow cook-off -test (SCO) på en fullskalig raketmotor. Dessa tester innebär att man tar en raketmotor i full storlek och värmer den långsamt i en engångskonvektionsugn.
Temperaturspår finns på flera platser fram till reaktionen där våldet sedan bedöms utifrån olika indikatorer som sträcker sig från containerskador och fragmentering till enkla övertrycksmätare och dynamiska trycksensorer för mätning av sprängtryck. Dessa fullskaliga tester är ofta dyra och är inte praktiska för att undersöka mindre förändringar i drivmedelsingredienser14. Några laboratorietester har utvecklats som involverar uppvärmning av drivmedel eller sprängämnen i en mängd olika konfigurationer och bedömning av containerskador efter autoignitionshändelsen. Även om nuvarande laboratorietester förutsäger tiden att laga mat bra och ibland autoignitionstemperaturen15,16,17, är de mindre varande att förutsäga våldet.
Ett vanligt test är det variabla avkokningstestet18 som långsamt värmer en cylinder drivmedel tills det antänds. Reaktionens våld bestäms av fragmenteringen av kammaren och bultar under den exotemiska autoignitionsreaktionen. De vanligaste laboratorietesterna använder kammarens slutliga tillstånd för att rangordna reaktionsvåld, och det finns en grad av subjektivitet i bedömningen. Små skillnader i reaktionsvåld är svåra att avgöra. Denna bedömning av våld är kvalitativ till sin natur, och det kan vara svårt att bedöma om en förändring av en formuleringsingrediens förändrade SCO-våldet. Till skillnad från en faktisk raketmotor begränsar inte aktuella laboratorietester drivmedlet inuti ett fodral. Produktgaser kan lätt komma ut, och detta är viktigt eftersom gaserna kan reagera med drivmedlet heterogent eller vara reaktiva själva, som i fallet med ammoniak och perklorsyra om ammoniumperklorat används.
En av de bästa insatserna för att instrumentera ett laboratorieskalatest var användningen av en dynamisk trycksensor på en småskalig cook-off bomb19. Detta gjorde det möjligt att avgöra skillnader i reaktionsvåld med högre upplösning för relativt små förändringar i formuleringen av raketdrivmedel. Ett kritiskt problem med detta test är dock att det inte innesluter raketdrivmedier på samma sätt som en faktisk raketmotor, och många modellerings- och delskaleexperiment har visat att detta är en viktig faktor för övervägande20. Dessutom har drivmedlet vanligtvis inte samma mängd exponerad yta eller samma fria volym och är inte geometriskt inneslutet på samma sätt som en fullskalig provning. Förbränningshastighetsanalysen av ett långsamt uppvärmt drivmedelstest (CRASH-P) utformades för att förbättra dessa tidigare tester. Prover mellan 25 g och 100 g kan provas under liknande förhållanden för inneslutning av drivmedel som en fullskalig provning21. Det ger också ett sätt att mäta den effekt som produceras från reaktionshändelsen kvantitativt genom dynamiska trycksensormätningar, vilket är något som nuvarande subskaletester inte ger. Resultaten har visat sig korrelera väl med fullskaliga SCO-tester.
En av de viktigaste delarna i att fastställa CRASH-P-testet var att bestämma vilket mått från testet som bäst skulle användas för att kvantifiera reaktionsvåldet hos raketdrivmedelsformuleringarna. Den hastighet och mängd tryck som produceras från reaktionen står i direkt proportion till den effekt som raketdrivmedlet framställer vid reaktion. Det är också direkt analogt med blastövertrycksmätaren som används i ett fullskaligt SCO-test. Ursprungligen användes trycksättningshastighet (dP/dt), men dessa data var vilseledande eftersom olika formuleringar innehåller olika mängder bränsle och oxidationsmedel och producerar olika mängder gas med varierande sammansättning. För att minimera denna bias från effekterna av att ändra formuleringsingredienserna användes tiden till 90% topptryck istället, och det korrelerade väl med fullskaligt SCO-testvåld.
En annan teståtgärd som visade sig vara viktig är inspärrning. Tidiga provhållare tillverkades med termoplastiska material som var utformade för att hantera testets höga temperaturer. Tyvärr, även om dessa prover inte smälte, mjuknat de och gav inte samma inneslutning som metallprovhållare. Reaktionsvåldet för dessa prover var märkbart mindre än reaktionsvåldet för metallprovhållare. Ett annat viktigt fynd om testet var att vissa raketdrivmedelsformuleringar hade kritiska storlekar för att autoignitera tillförlitligt. Aluminiserade formuleringar hade svårt att laga mat och autoigniting om de var under 50 g. Detta tillskrevs kravet på en tröskelmängd ammoniumperklorat som krävdes för den våldsamma reaktionen. Dessutom var en annan insikt att termoplastiska bultar inte fungerade. De ursprungliga CRASH-P provhållarbultarna tillverkades av PEEK, och detta måste bytas till rostfritt stål. Inneslutning var inte tillräckligt stark på grund av PEEK-materialet som expanderar termiskt innan drivmedel autoignition uppnåddes.
För vissa formuleringar som antänds vid högre temperaturer, främst aluminiumiserade formuleringar, är det önskvärt att använda ett aluminiumdrivmedelshållarefall eftersom de inte mjuknar vid högre temperaturer. Slutligen var ICP dynamiska trycksensorer de ursprungliga trycksensorerna som användes. Men efter ~ 10 tester blev resultaten alltmer bullriga, förmodligen från att utsättas för för hög temperatur. De dynamiska trycksensorerna byttes från ICP-sensorer till laddningsförstärkare. Laddningsförstärkare förlorar dock laddningen om den lämnas på för länge. För att minimera den här effekten användes en in-line laddnings amp-till-ICP-omvandlare nedströms vid ett säkert temperaturområde. Eftersom trycksensorns maximala provtagningshastighet är 500 000 prover/prover kan provtagningshastigheter som är snabbare än 50 000 prov/prover registreras. Det fanns dock inget behov av detta eftersom händelserna inte var så snabba.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka joint enhanced munitions technology program. Anthony DiStasio och Jeffrey Brock var med och såg till att arbetet var klart.
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 |