Vi præsenterer en protokol for en laboratorie-skala langsom cook-off test for fast raket drivmidler kaldet forbrændingshastighed analyse af en langsomt opvarmet drivmiddel (CRASH-P) test. Indelukkede raketbrændstofmidler opvarmes langsomt indtil autoignition, og både cook-off temperaturen og reaktionsvolden måles med dynamiske tryksensorer.
Faste raketbrændstofmidler anvendes i vid udstrækning til fremdriftsapplikationer af militære og rumagenturer. Selvom de er meget effektive, kan de være farlige for personale og udstyr under visse forhold, hvor langsom opvarmning under begrænsede forhold er en særlig fare. Dette papir beskriver en mere overkommelig laboratorietest, der er lettere at sætte op og blev udviklet til screening raket drivmiddel ingredienser. Raketbrændstoffrydningsmidler kastes i prøveholdere, der er konstrueret til at have samme indeslutning som standardraketmotorer (drivvolumen til det samlede volumen i beholderen) og sikrer, at drivmidlet ikke let kan udluftes. Reaktionsvold kvantificeres af den tid, det tager at nå 90% af det maksimale tryk efter autoignition, hvilket svarer til blast overtryksmålere, der bruges til at måle vold i en fuldskalatest. Der blev observeret en positiv korrelation mellem den hastighed og det tryk, der frembringes af reaktionen, og den effekt, som raketbrændstoft frembringer under reaktionen.
Solide raketbrændstofmidler bruges i vid udstrækning i forsvars-, rum- og gasgenererende applikationer. De er relativt pålidelige brændstoffer, der udfører mange funktioner ekstremt godt. Mange raketbrændstoffnedmidler indeholder dog farlige ingredienser som ammoniumperchlorat (AP). Raketbrændstof med disse oxidatorer kan eksplodere voldsomt, når langsomt opvarmet1,2,3. Der har været flere højt profilerede ulykker med den langsomme opvarmning af raket drivmiddel eller raket drivmiddel ingredienser, der har henledt opmærksomheden på disse spørgsmål såsom brand og efterfølgende cook-off af ammunition på USS Forrestal4 og PEPCON eksplosion1. Selvom disse heldigvis er sjældne begivenheder, kan de være ødelæggende på grund af det personale og udstyrstab, der opstår. Derfor er der motivation til at forstå volden i disse reaktioner og drive dem ned, når det er muligt. En af hovedårsagerne til voldsomme cook-off begivenheder med raket drivmiddel er, at mange af ingredienserne delvist nedbrydes, forlader reaktive produktgasser bag sammen med oxidator med en forbedret reaktiv overfladeareal.
Et specifikt eksempel på dette er det ioniske salt, ammoniumperchlorat. Nedbrydningen ved lav temperatur af ammoniumperchlorat trækkes ud og er ufuldstændig, hvilket efterlader reaktive mellemprodukter inden for en drivmiddelramme med betydelig porøsitet og overfladeareal til rådighed for efterfølgende reaktioner5,6,7,8,9. Derudover kan raketbrændstof, der indeholder ammoniumnitratra og eksplosive nitramineforbindelser, have meget voldsommereaktioner,når de opvarmes langsomt10,11,12. Langsom cook-off vold er en vigtig ufølsom ammunition metrisk, fordi mange raketter er forpligtet ved lov til at bestå disse tests13. I øjeblikket er den bedste måde at afgøre, om en raket drivmiddel formulering reagerer for voldsomt under langsom opvarmning betingelser er at køre en langsom cook-off (SCO) test på en fuld-skala raketmotor. Disse tests indebærer at tage en fuld størrelse raketmotor og varme det langsomt i en engangs konvektion ovn.
Temperaturspor leveres flere steder indtil reaktionen, hvor volden derefter vurderes ud fra forskellige indikatorer lige fra containerskader og fragmentering til enkle overtryksmålere og dynamiske tryksensorer til måling af eksplosionstryk. Disse fuldskalatests er ofte dyre og er ikke praktiske til undersøgelse af mindre ændringer i drivmiddelingredienser14. Der er udviklet nogle få laboratorieundersøgelser, der involverer opvarmning af drivmidler eller sprængstoffer i en række konfigurationer og vurdering af containerskader efter autoignitionshændelsen. Selv om de nuværende laboratorie-skala tests forudsige tid til at cook-off godt og undertiden autoignition temperatur15,16,17, de er mindre i stand til at forudsige volden.
En almindeligt anvendt test er den variable indeslutningsafkogetest18, der langsomt opvarmer en cylinder drivmiddel, indtil den antændes. Reaktionens vold bestemmes af fragmenteringen af kammeret og boltene under den eksoterme autoignitionsreaktion. De mest almindelige laboratorieundersøgelser bruger kammerets endelige tilstand til at rangere reaktionsvold, og der er en vis subjektivitet i vurderingen. Små forskelle i reaktionsvold er vanskelige at afgøre. Denne vurdering af vold er kvalitativ karakter, og det kan være vanskeligt at vurdere, om en ændring i en formulering ingrediens ændret SCO vold. I modsætning til en faktisk raketmotor begrænser de nuværende laboratorieundersøgelser desuden ikke drivmidlet inde i en sag. Produktgasser kan let undslippe, og det er vigtigt, fordi gasserne kan reagere med drivmidlet heterogent eller være reaktive selv, som det er tilfældet med ammoniak og perchlorsyre, hvis der anvendes ammoniumperchlorat.
En af de bedste bestræbelser på at instrumentere en laboratorieskala test involverede brugen af en dynamisk tryksensor på en lille kok-off bombe19. Dette gjorde det muligt at bestemme større opløsningsforskelle, kvantificerbare forskelle i reaktionsvold, for relativt små ændringer i raketbrændstofformuleringen. Et kritisk problem med denne test er imidlertid, at den ikke begrænsede raketbrændstofferne på samme måde som en faktisk raketmotor, og adskillige modellerings- og underskalaforsøg har vist, at dette er en vigtig faktor til overvejelse20. Desuden har drivmidlet normalt ikke samme mængde eksponeret overfladeareal eller samme frie volumen og er ikke geometrisk begrænset på samme måde som en fuldskalatest. Forbrændingshastighedsanalysen af en langsomt opvarmet drivmiddeltest (CRASH-P) blev udtænkt for at forbedre disse tidligere test. Prøver på mellem 25 g og 100 g kan testes under lignende drivmiddel indeslutningsforhold som en fuldskalatest21. Det giver også et middel til at måle den effekt, der produceres fra reaktionshændelsen kvantitativt gennem dynamiske tryksensormålinger, hvilket er noget, som de nuværende subskalatest ikke giver. Resultaterne har vist sig at korrelere godt med fuldskala SCO test.
En af de vigtigste dele af etableringen af CRASH-P-testen var at beslutte, hvilken måling fra testen der bedst kunne bruges til at kvantificere reaktionsvolden i raketbrændstofformuleringerne. Hastigheden og mængden af tryk, der frembringes af reaktionen, er direkte proportional med den effekt, som raketbrændstoft producerer, når det reagerer. Det er også direkte svarer til blast overtryk gauge anvendes i en fuld-skala SCO test. I første omgang blev trykfrekvensen (dP/dt) anvendt, men disse data var vildledende, fordi forskellige formuleringer indeholder forskellige mængder brændstof og oxidationsmiddel og producerer forskellige mængder gas med varierende sammensætning. For at minimere denne bias fra virkningerne af at ændre formuleringen ingredienser, tid til 90% peak pres blev brugt i stedet, og det korreleret godt med fuld-skala SCO test vold.
En anden testoperation, der viste sig at være vigtig, er indespærring. Tidlige prøveholdere blev lavet med termoplastiske materialer designet til at håndtere de høje temperaturer i testen. Desværre, mens disse prøver ikke smeltede, blødgjorde de og gav ikke den samme indeslutning som metalprøveholdere. Reaktionsvolden for disse prøver var mærkbart mindre end reaktionsvolden for metalprøveholdere. Et andet vigtigt resultat om testen var, at nogle raket drivmiddel formuleringer havde kritiske størrelser til autoignite pålideligt. Aluminiumholdige formuleringer havde svært ved at lave mad og autoigniting, hvis de var under 50 g. Dette blev tilskrevet kravet om en tærskelmængde ammoniumperchlorat, der var nødvendig for den voldelige reaktion. Derudover var en anden indsigt, at termoplastiske bolte ikke fungerede. De originale CRASH-P prøveholderbolte var lavet af PEEK, og dette måtte ændres til rustfrit stål. Indespærringen var ikke stærk nok på grund af, at PEEK-materialet termisk ekspanderede, før drivmiddelautomatisk justering blev opnået.
For nogle formuleringer, der antændes ved højere temperaturer, hovedsageligt aluminiumsformulerede formuleringer, er det ønskeligt at bruge et aluminiumsbrændstofholderkasse, da de ikke blødgør ved højere temperaturer. Endelig var ICP dynamiske tryksensorer de oprindelige tryksensorer, der blev brugt. Men efter ~ 10 tests, blev resultaterne mere og mere støjende, sandsynligvis fra at blive udsat for for høj temperatur. De dynamiske tryksensorer blev skiftet fra ICP-sensorer til opladningsforstærkersensorer. Opladningsforstærkersensorer mister dog opladningen, hvis de efterlades for længe. For at minimere denne effekt blev der anvendt en indbygget ladningsforstærker til ICP-konverter nedstrøms ved et sikkert temperaturområde. Da tryksensorens maksimale prøvetagningshastighed er 500.000 prøver/s, kan der registreres prøvetagningshastigheder, der er hurtigere end 50.000 prøver. Der var dog ikke behov for dette, da begivenhederne ikke var så hurtige.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne takke den fælles Enhanced Ammunition Technology Program. Mr. Anthony DiStasio og Jeffrey Brock var medvirkende til at sikre, at dette arbejde blev afsluttet.
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 |