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Ingeniería

Essais de cuisson lente à l’échelle du laboratoire des propergols de fusée : analyse du taux de combustion d’un essai de propergol chauffé lentement (CRASH-P)

Published: February 06, 2021
doi:
10.3791/62216
, , , ,
1Naval Air Warfare Center Weapons Division

Summary

Nous présentons un protocole pour un essai de cuisson lente à l’échelle du laboratoire pour les propergols de fusées solides appelé l’analyse du taux de combustion d’un essai de propergol à chauffage lent (CRASH-P). Les propergols confinés sont lentement chauffés jusqu’à l’auto-homologation, et la température de cuisson et la violence de réaction sont mesurées à l’aide de capteurs de pression dynamiques.

Abstract

Les propergols à propergol solide sont largement utilisés pour des applications de propulsion par les agences militaires et spatiales. Bien que très efficaces, ils peuvent être dangereux pour le personnel et l’équipement dans certaines conditions, avec un chauffage lent dans des conditions confinées étant un danger particulier. Cet article décrit un test de laboratoire plus abordable qui est plus facile à mettre en place et a été développé pour le criblage des ingrédients de propergol de fusée. Les propergols de fusée sont coulés dans des porte-échantillons qui ont été conçus pour avoir le même confinement que les moteurs-fusées standard (volume de propergol au volume total dans le conteneur) et s’assurer que le propergol n’est pas facilement ventilé. La violence de réaction est quantifiée par le temps qu’il faut pour atteindre 90% de la pression maximale après auto-inflation, ce qui est analogue aux jauges de surpression de souffle utilisées pour mesurer la violence dans un test à grande échelle. Une corrélation positive a été observée entre la vitesse et la pression produites par la réaction et la puissance produite par le propergol de la fusée pendant la réaction.

Introduction

Les propergols à propergol solide sont largement utilisés dans les applications de défense, spatiales et génératrices de gaz. Ce sont des carburants relativement fiables qui remplissent extrêmement bien de nombreuses fonctions. Cependant, de nombreux propergols de fusée contiennent des ingrédients dangereux tels que le perchlorate d’ammonium (AP). Les propergols de fusée avec ces oxydants peuvent exploser violemment lorsqu’ils sont lentement chauffés1,2,3. Il y a eu plusieurs accidents très médiatisés avec le chauffage lent du propergol de fusée ou des ingrédients de propergol de fusée qui ont attiré l’attention sur ces questions telles que l’incendie et la cuisson subséquente des munitions sur l’USS Forrestal4 et l’explosion PEPCON1. Bien qu’il s’agit heureusement d’événements rares, ils peuvent être dévastateurs en raison des pertes de personnel et d’équipement qui se produisent. Par conséquent, il y a une motivation à comprendre la violence de ces réactions et à les faire baisser dans la mesure du possible. L’une des principales causes des événements violents de cuisson avec le propergol de fusée est que de nombreux ingrédients se décomposent partiellement, laissant derrière eux des gaz réactifs avec le comburant avec une surface réactive améliorée.

Un exemple spécifique de ceci est le sel ionique, le perchlorate d’ammonium. La décomposition à basse température du perchlorate d’ammonium est étirée et incomplète, laissant les produits intermédiaires réactifs dans un cadre propulsant avec une porosité et une surface substantielles disponibles pour les réactions ultérieures5,6,7,8,9. En outre, les propergols de fusée qui contiennent du nitrate d’ammonium et des composés explosifs de nitramine peuvent avoir des réactions très violentes lorsqu’ils sont chauffés lentement10,11,12. La violence à cuisson lente est une mesure importante et insensible des munitions, car de nombreuses roquettes sont tenues par la loi de passer ces essais13. À l’heure actuelle, la meilleure façon de déterminer si une formulation de propergol réagit trop violemment dans des conditions de chauffage lent est d’exécuter un essai de cuisson lente (SCO) sur un moteur-fusée grandeur. Ces tests impliquent de prendre un moteur-fusée pleine grandeur et de le chauffer lentement dans un four à convection jetable.

Des traces de température sont fournies à plusieurs endroits jusqu’à la réaction où la violence est ensuite évaluée sur la base de divers indicateurs allant des dommages et de la fragmentation du conteneur à de simples jauges de surpression et à des capteurs de pression dynamiques pour mesurer la pression de souffle. Ces essais grandeur mesurent souvent coûteux et ne sont pas pratiques pour étudier des modifications mineures des ingrédients propulseurs14. Quelques essais à l’échelle du laboratoire ont été mis au point, qui consistent à chauffer des propergols ou des explosifs dans diverses configurations et à évaluer les dommages causés aux contenants après l’événement d’auto-homologation. Bien que les tests actuels à l’échelle du laboratoire prédisent le temps de bien cuire et parfois la température d’auto-homologation15,16,17,ils sont moins en mesure de prédire la violence.

Un essai couramment utilisé est l’essai de cuisson à confinement variable18 qui chauffe lentement un cylindre de propergol jusqu’à ce qu’il s’enflamme. La violence de la réaction est déterminée par la fragmentation de la chambre et des boulons lors de la réaction d’auto-auto-ignition exothermique. Les tests de laboratoire les plus courants utilisent l’état final de la chambre pour classer la violence de réaction, et il y a un certain degré de subjectivité à l’évaluation. Il est difficile de déterminer de petites différences dans la violence de réaction. Cette évaluation de la violence est de nature qualitative, et il peut être difficile d’évaluer si un changement dans un ingrédient de formulation a modifié la violence de l’OCS. De plus, contrairement à un moteur-fusée réel, les essais en laboratoire actuels ne confinent pas le propergol à l’intérieur d’un boîtier. Les gaz produits peuvent facilement s’échapper, ce qui est important car les gaz peuvent réagir avec le propergol de manière hétérogène ou être eux-mêmes réactifs, comme dans le cas de l’ammoniac et de l’acide perchlorique si le perchlorate d’ammonium est utilisé.

L’un des meilleurs efforts pour instrumenter un essai à l’échelle du laboratoire a consisté à utiliser un capteur de pression dynamique sur une bombe à cuisson à petite échelle19. Cela a permis de déterminer des différences quantifiables et de résolution plus élevées dans la violence de réaction pour des changements relativement mineurs dans la formulation du propergol de fusée. Cependant, un problème critique de cet essai est qu’il n’a pas confiné les propergols de fusée de la même manière qu’un moteur-fusée réel, et de nombreuses expériences de modélisation et de sous-échelle ont montré qu’il s’agit d’un facteur important à prendre en considération20. En outre, le propergol n’a généralement pas la même surface exposée ou le même volume libre et n’est pas géométriquement confiné de la même manière qu’un essai en pleine échelle. L’analyse du taux de combustion d’un essai de propergol à chauffage lent (CRASH-P) a été conçue pour améliorer ces essais précédents. Des échantillons compris entre 25 g et 100 g peuvent être testés dans des conditions de confinement de propergol similaires à celles d’un essai grandeur21. Il fournit également un moyen de mesurer quantitativement la puissance produite par l’événement de réaction par des mesures de capteur de pression dynamique, ce que les tests actuels de sous-échelle ne fournissent pas. Les résultats se sont avérés bien corrélés avec les tests SCO à grande échelle.

Protocol

1. Préparation des échantillons de propergol Mélangez soigneusement les ingrédients propulseurs (résine polymère, plastifiants et particules de combustible solide et d’oxydant) dans un mélangeur planétaire rotatif pendant une durée déterminée.REMARQUE: La durée du mélange dépend de la formulation spécifique, mais la plupart des mélanges prennent au moins 2 h. Couler du propergol de fusée non durci dans un porte-échantillon CRASH-P spécialement fabriqué. Placez un mandrin de polytétrafluoroéthylène au centre du porte-échantillon pendant la coulée pour créer une perforation centrale lorsque le propergol durcit. Utilisez un support de mandrin(Figure 1)pour vous assurer que la perforation centrale du propergol est droite et cohérente.REMARQUE: Les porte-échantillons CRASH-P doivent être mis à l’échelle pour avoir le même volume de propergol au volume interne de la chambre qu’un moteur-fusée réel pour imiter le confinement du propergol d’un moteur-fusée à pleine échelle. Les porte-échantillons CRASH-P sont en polyéther éther éther cétone (PEEK) ou en aluminium. Bien que les formulations de fusées sans carburant métallique puissent utiliser du PEEK, les formulations métallisées doivent utiliser des supports en aluminium afin qu’ils ne fondent pas prématurément pendant l’auto-ignition. Placez les échantillons CRASH-P dans un four pour accélérer les réactions de polyuréthane ou toute autre chimie nécessaire pour durcir le propergol. Maintenir la température du four à 60 °C pour les cures d’uréthane et augmenter ou diminuer la température en fonction des ingrédients du propergol de fusée. Une fois les propergols durcis, coupez-les de manière à ce que l’excès de propergol ne dépasse pas de la surface du porte-échantillon et n’interfère pas avec le joint torique de la face. Retirez en toute sécurité le mandrin de chaque formulation en le retirant doucement.NOTA : Le propergol doit être garni d’une lame de rasoir ou d’un autre objet tranchant afin de minimiser l’abrasion par frottement contre la surface du propergol. Placer un joint torique en silicone à l’intérieur de la face du porte-échantillon CRASH-P pour un joint de pression approprié(Figure 1).REMARQUE: La taille du joint torique varie en fonction de la taille du porte-échantillon CRASH-P. Par exemple, un joint torique de taille 025 est utilisé pour l’essai de 25 g et un joint torique de taille 128 est utilisé pour l’essai de 50 g. Boulonnez le couvercle sur le porte-échantillon CRASH-P et serrez-le avec une clé Allen. Serrez les boulons dans un motif en étoile pour répartir la force d’étanchéité plus uniformément. 2. Préparation de la chambre CRASH-P Assurez-vous que la chambre CRASH-P n’est pas pressurisée en ouvrant la soupape d’échappement fixée à la chambre CRASH-P. Retirez le couvercle de la chambre, le capuchon et la rondelle de poussée du corps CRASH-P. Fixez une planche au capuchon CRASH-P pour maintenir les échantillons CRASH-P. Nettoyez la chambre CRASH-P pour enlever les traces du dernier essai. Frottez tous les résidus de combustion avec une brosse métallique et nettoyez la chambre avec un solvant organique tel que l’éthanol, l’isopropanol, l’acétone ou la méthyléthylcétone. Éliminer tout produit de nettoyage à usage unique en tant que déchet dangereux conformément aux réglementations locales et nationales.NOTA : L’équipement de protection individuelle doit être utilisé lors du nettoyage avec les solvants énumérés, comme une protection oculaire, un sarrau de laboratoire approprié ou des gants résistant aux produits chimiques. Inspectez les capteurs de pression dynamique CRASH-P pour toute usure inhabituelle.REMARQUE: Les capteurs utilisent un montage encastré avec la chambre CRASH-P car ils ne peuvent gérer qu’une température maximale de 204 ° C pour éviter d’endommager leur électronique interne. Ces capteurs à haute température amplifiés par charge utilisent un convertisseur en aval (voir le tableau des matériaux)pour changer le signal en un signal piézoélectrique (ICP) à circuit intégré. Retirez les raccords NPT (American National Pipe Thread) de 1/8 de pouce qui fixent les capteurs de pression au corps principal crash-p. Nettoyez tout résidu de combustion avec une spatule ou un solvant organique. Débranchez le capteur de pression du couplage NPT. Remplissez le couplage NPT avec un mastic silicone vulcanisant à température ambiante. Enfilez le capteur de pression à l’intérieur, en vous assurant qu’une partie du scellant est extrudée. Essuyez le scellant pour qu’il soit au ras du raccord NPT de 1/8 de pouce. Laisser le scellant durcir pendant au moins 12 h. Réinstallez les capteurs de pression couplés au TNP pour protéger les capteurs contre les erreurs de température induites par le souffle dans les lectures de pression dynamiques. Préparez des feedthroughs électriques pour les diagnostics de température. Retirez les fils de thermocouple de leur isolant et passez les fils nus à travers le manchon isolant d’alimentation.REMARQUE: Le modèle et le type des feedthroughs électriques varieront en fonction de la jauge de fil et des quantités de feedthroughs nécessaires. Voir la table des matériaux pour les feedthroughs électriques utilisés dans la chambre CRASH-P. Utiliser des thermocouples standard de type K pour l’essai CRASH-P, car la température et les taux d’échantillonnage de l’essai sont assez standard. Installez une connexion d’accouplement à l’autre extrémité du feedthrough.REMARQUE: Pour des raisons de productivité, il est encouragé à faire plusieurs feedthroughs électriques. Enfilez les deux traversées électriques à travers le capuchon de la chambre. Laisser au moins 0,3 m de thermocouple pour chaque passe à l’intérieur de la chambre. Assurez-vous que le côté perlé des thermocouples se trouve à l’intérieur de la chambre CRASH-P. 3. Installation d’échantillons de propergol Boulonner l’échantillon CRASH-P scellé sur la planche d’acier(figure 2B)fixée au capuchon de la chambre de l’essai CRASH-P pour maintenir l’échantillon au milieu de la chambre.NOTA : S’assurer que l’échantillon se trouve au milieu de la chambre sans toucher la paroi du récipient garantit que l’échantillon est chauffé par convection plutôt que par conduction. Placer l’un des thermocouples des relais électriques à l’intérieur du porte-échantillon de propergol pour capturer toute réaction exothermique. Placez un autre thermocouple sur la planche d’acier, pointant vers le haut pour échantillonner la température de l’air à l’intérieur de la chambre CRASH-P(Figure 2). Assurez-vous que le thermocouple qui échantillonne la température de l’air est le thermocouple de contrôle du régulateur de température. Placez la bague d’étanchéité dans le retrait en forme d’anneau sur la chambre CRASH-P. Assurez-vous que l’anneau d’étanchéité est propre de tout débris de corps étrangers. Une fois que l’échantillon est fixé correctement sur la planche et que les thermocouples sont placés correctement, faites glisser le capuchon de la chambre dans le corps de la chambre. Veillez à ne pas faire pivoter le capuchon de la chambre en marquant le capuchon de la chambre. Utilisez une tige cylindrique pour insérer la rondelle de poussée et enfiler complètement et serrer la tête de retenue sur la chambre. Installez le boulon hexagonal de 7/8 »-9 dans la tête de la chambre. Serrez-les dans un motif en étoile pour vous assurer que la chambre est serrée uniformément. Utilisez une clé dynamométrique pour le serrage final de la chambre afin d’assurer une étanchéité uniforme.NOTA : En général, 169,48 N∙m suffisent pour un scellement uniforme. Installez les pinces de retenue de la chambre et maintenez-les en place avec des goupilles. Si nécessaire, utilisez un maillet en caoutchouc pour vous assurer d’un ajustement serré pour la palourde et empêcher le mouvement vertical de la chambre. Installer la plaque d’extrémité de la chambre en la boulonnant à la table d’essai pour empêcher l’essai CRASH-P de se déplacer de façon axiale pendant un événement d’allumage. Branchez les câbles coaxiaux du capteur de pression dynamique dans le conditionneur de signal. Branchez les radiateurs électriques de bande(Figure 2D)dans les prises de courant qui se connectent aux contrôleurs de température afin que les radiateurs de bande puissent être contrôlés par un régulateur de température qui fournit une alimentation de 220 VCA aux radiateurs. 4. Configuration et vérification des instruments d’essai Programmez le régulateur de température (nécessitant une alimentation de 120 VCA) de manière à transmettre un signal de 24 V à un commutateur relais à semi-conducteurs qui détermine quand l’alimentation de chauffage est allumée ou éteinte.REMARQUE: Comme tout test de cuisson, la programmation du contrôleur de température est cruciale pour exécuter des tests fiables. Réglez le régulateur de température avant le test pour obtenir les caractéristiques de chauffage appropriées.Remarque : le gain proportionnel, les caractéristiques intégrales et le taux doivent tous être définis pour minimiser les oscillations et les dépassements. Définissez les valeurs de température nécessaires pour les 16 intervalles de temps sur le régulateur de température. Utilisez les trois premiers intervalles pour installer une rampe et une période de trempage où la température est maintenue à 50 °C pendant au moins 2 h. Ensuite, entrez les intervalles pour fournir les points de données pour que l’essai ait un profil de chauffage linéaire qui ne change pas de pente pendant l’essai (15 °C/h est l’objectif), et réglez la température finale à 300 °C. Assurez-vous que les fils d’entrée et de sortie sont branchés sur le conditionneur de signal de pression dynamique. Allumez le conditionneur de signal de pression dynamique. S’il n’y a pas de short indiqué, passez à l’étape suivante.REMARQUE: Un voyant rouge s’allume pour un capteur court-circuité. Utilisez trois thermocouples de type K dont les extrémités se terminent à l’intérieur d’un amplificateur thermocouple et assurez-vous que l’amplificateur est allumé. Allumez la caméra de surveillance pour le test afin d’enregistrer le test CRASH-P par vidéo afin que les opérateurs puissent voir s’il arrive quelque chose dans la chambre à distance. Mettez l’alimentation électrique des radiateurs du pouvoir de commande(Figure 3)et mettez le régulateur de température sous tension pour exécuter le test à distance. Dans la page CTRL du contrôleur de température, activez RSEN. Appuyez sur le bouton auxiliaire du régulateur de température pour modifier la condition de test de veille à exécution afin que le test commence à chauffer la chambre. 5. Acquisition de données et nettoyage des essais Construire un atelier dans le logiciel du système d’acquisition de données pour mettre en place deux régions distinctes pour la collecte des données d’essai: l’une pour la pression à mesurer par la carte principale et l’autre pour les températures à prendre pour l’amplificateur de thermocouple(Figure 3). Vérifiez le système d’acquisition de données pour voir s’il y a eu un événement déclenché, ce qui implique que l’échantillon a connu une réaction exothermique et peut être arrêté. Réglez le système pour qu’il fonctionne sur un mécanisme de balayage déclenché de sorte qu’une fois qu’une tension de seuil est atteinte, le taux d’échantillonnage de pression passe d’un échantillon par seconde à 50 000 échantillons/s pour résoudre avec précision le travail effectué par l’échantillon réactif pendant l’auto-apprentissage.REMARQUE: Des tests inertes doivent être effectués au préalable pour étudier comment contrôler la vitesse de chauffage. Les capteurs amplifiés de charge peuvent échantillonner à une vitesse allant jusqu’à 500 000 échantillons / s, mais cette vitesse n’est généralement pas nécessaire pour ce test. Si une réaction déclenchée exothermique est observée, appuyez sur le bouton d’arrêt du logiciel d’acquisition de données. Comme l’acquisition de données ne se termine pas d’elle-même, vérifiez périodiquement le test pour vérifier s’il y a un exotherme de température ou une réponse de pression déclenchée. Si l’un de ces éléments est observé, arrêtez manuellement l’enregistrement et éteignez le contrôleur d’alimentation, de vidéo et de température du chauffage. Exportez manuellement les données de température et de pression dans des fichiers texte délimités par des tabulations, en vous assurant que les données de pression et de température sont exportées séparément en raison des différents taux d’échantillonnage. Transférez les fichiers texte sur un autre ordinateur pour effectuer l’analyse des données sur les résultats. Attendre au moins 12 h pour que l’essai refroidisse avant de démonter la chambre d’essai. Ventilez la chambre pour libérer les gaz du produit de la réaction exothermique. Démonter soigneusement la chambre d’essai.NOTA : Le port d’un sarrau de laboratoire résistant aux produits chimiques et à la flamme, d’un appareil de protection respiratoire, de gants appropriés et d’un respirateur comme produit propulsifique peut être dangereux. Nettoyez la chambre et tous les composants et capturez les fragments du contenant d’échantillons du porte-échantillon. 6. Analyse des données CRASH-P REMARQUE: L’analyse des données comprend les traces de température réelles et les données de pression dynamique déclenchées. Le système d’acquisition de données marque l’emplacement du déclencheur et l’utilisateur peut voir l’heure à laquelle cela s’est produit. Le déclencheur correspond à une valeur de pression dynamique supérieure de 5 % à la ligne de base. Arrêtez l’enregistrement dans le logiciel et exportez les données de température et de pression vers des fichiers texte délimités par des tabulations. Ouvrez les fichiers texte avec un logiciel de graphique. Vérifiez les données pour les exothermes de température à partir desquels la température d’inflammation peut être déterminée, et vérifiez à quelle vitesse la chambre se pressurise. Comparez les résultats crash-p aux données d’essai sco pleine échelle pour la formulation testée, si elles sont disponibles. Comparez la température d’auto-ignition et la violence de réaction.

Representative Results

Pour aider le lecteur à visualiser comment les sous-systèmes du test CRASH-P interagissent les uns avec les autres, un schéma expérimental est illustré à la figure 4. Les thermocouples à l’intérieur de la chambre CRASH-P contrôlent les données d’alimentation du système d’acquisition de données via un amplificateur thermocouple. Le régulateur de température actionne un relais électrique, qui allume et éteint les radiateurs électriques. Cela garantit que le profil de chauffage correct est atteint pour l’échantillon de propergol de fusée. Lorsque l’auto-homologation de l’échantillon se produit, le système d’acquisition de données déclenche la collecte de données de pression dynamique à grande vitesse à 50 000 échantillons/s. Le test se termine alors, les données sont enregistrées et le système de contrôle de la température est désactivé. Après au moins 12 h, la chambre CRASH-P doit être à température ambiante et tous les gaz du produit peuvent être évacués. Des résultats représentatifs typiques sont vus à la figure 5. Des traces de température sont fournies pour l’air de la chambre intérieure et la température interne du propergol par le système d’acquisition de données. Les réactions exothermiques mineures avant l’inflammation sont souvent mesurées avec la réaction exothermique principale. Habituellement, la réaction exothermique n’est pas assez violente pour briser la perle de thermocouple, de sorte que l’événement entier peut être capturé. De plus, des lectures de pression dynamiques pour la réaction sont enregistrées pour les manomètres dynamiques avant, arrière et arrière. Comme la plupart des événements de cuisson en laboratoire, l’état du contenant de l’échantillon après réaction peut être évalué pour les dommages (Figure 5C). Enfin, la figure 5D montre qu’il peut y avoir un degré assez important de variation mesurée dans la violence de réaction de différents échantillons de propergol, ce qui permet de quantifier et de comparer la violence pour les différentes réactions. En général, les réactions de pressurisation plus rapides avaient plus de dispersion ou de bruit dans les données de pression(figure 5D),ce qui est compatible avec la plus grande oscillation de la chambre en raison d’une réponse plus violente. Figure 1: Préparation et scellement des échantillons CRASH-P. (A)Les ingrédients du propergol de fusée sont mélangés dans un mélangeur planétaire. (B) Le propergol de fusée est coulé dans un porte-échantillon avec un mandrin de polytétrafluoroéthylène. (C) Les échantillons de propergol sont parés et un joint torique est placé dans le récipient à des fins de scellement. (D)Le récipient d’échantillon est scellé et boulonné. Le confinement des échantillons est le même que celui des moteurs-fusées réels. Abréviation : CRASH-P = Analyse du taux de combustion d’un propergol chauffé lentement. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 2: Chargement de l’échantillon et préparation de l’essai CRASH-P. Le placement des échantillons est essentiel. (A) Les échantillons sont placés sur une planche et chauffés centralement par convection naturelle pendant l’essai. (B)L’échantillon est boulonné et maintenu en place sur la planche. (C) Des thermocouples sont placés sur la planche et à l’intérieur de l’échantillon de propergol à des fins de contrôle de la température et de diagnostic. (D) La chambre CRASH-P est scellée et les radiateurs à bande sont connectés à une alimentation de 220 VCA contrôlée par le régulateur de température. Abréviation : CRASH-P = Analyse du taux de combustion d’un propergol chauffé lentement. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 3: Instrumentation et acquisition de données pour l’essai CRASH-P. (A)Conditionneur de signal de pression dynamique,(B)amplificateur de thermocouple,(C)commandes de chauffage d’essai et(D)acquisition de données pendant l’essai. . Abréviation : CRASH-P = Analyse du taux de combustion d’un propergol chauffé lentement. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 4: Schéma expérimental de l’essai CRASH-P. Le système de surveillance de la température contrôle la vitesse de chauffage. Les capteurs de pression dynamiques quantifient la violence de réaction de l’événement d’auto-homologation, et un système d’acquisition de données enregistre toutes ces données d’essai pour l’expérience. CRASH-P = Analyse de la vitesse de combustion d’un propergol chauffé lentement. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 5: Données d’essai représentatives pour l’essai CRASH-P. (A)Traces de température au cours d’un essai. (B) Lectures de pression dynamique arrière, arrière et avant. C)Conteneur d’échantillons CRASH-P après l’essai. (D) Comparaison des lectures de pression dynamique avant pour six formulations différentes de propergol de fusée. CRASH-P = Analyse de la vitesse de combustion d’un propergol chauffé lentement. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Discussion

L’une des parties les plus importantes de l’établissement de l’essai CRASH-P a été de décider quelle mesure de l’essai serait la mieux utilisée pour quantifier la violence de réaction des formulations de propergol de fusée. La vitesse et la quantité de pression produites par la réaction sont directement proportionnelles à la puissance produite par le propergol de la fusée lors de la réaction. Il est également directement analogue à la jauge de surpression de souffle utilisée dans un test SCO à grande échelle. Initialement, le taux de pressurisation (dP/dt) a été utilisé, mais ces données étaient trompeuses parce que différentes formulations contiennent différentes quantités de carburant et de comburant et produisent différentes quantités de gaz de composition variable. Pour minimiser ce biais dû aux effets du changement des ingrédients de la formulation, le temps jusqu’à 90% de pression de pointe a été utilisé à la place, et il était bien corrélé avec la violence du test SCO à grande échelle.

Une autre opération d’essai qui s’est avérée importante est le confinement. Les premiers porte-échantillons ont été fabriqués avec des matériaux thermoplastiques conçus pour supporter les températures élevées de l’essai. Malheureusement, bien que ces échantillons n’aient pas fondu, ils se sont ramollis et n’ont pas fourni le même confinement que les porte-échantillons métalliques. La violence de réaction pour ces échantillons était sensiblement inférieure à la violence de réaction pour les porte-échantillons métalliques. Une autre conclusion clé de l’essai était que certaines formulations de propergol de fusée avaient des tailles critiques pour autoignite de manière fiable. Les formulations aluminisées avaient de la difficulté à cuire et à s’auto-honorer si elles étaient inférieures à 50 g. Cela a été attribué à l’exigence d’une quantité seuil de perchlorate d’ammonium qui était requise pour la réaction violente. En outre, une autre idée était que les boulons thermoplastiques ne fonctionnait pas. Les boulons d’origine du porte-échantillon CRASH-P étaient fabriqués à partir de PEEK, et cela a dû être changé en acier inoxydable. Le confinement n’était pas assez fort en raison de la dilatation thermique du matériau PEEK avant que l’auto-homologation du propergol ne soit réalisée.

Pour certaines formulations qui s’enflamment à des températures plus élevées, principalement des formulations aluminisées, l’utilisation d’un boîtier de support de propergol en aluminium est souhaitable car elles ne se ramollissent pas à des températures plus élevées. Enfin, les capteurs de pression dynamiques ICP étaient les capteurs de pression d’origine utilisés. Cependant, après environ 10 tests, les résultats sont devenus de plus en plus bruyants, probablement en étant exposés à une température trop élevée. Les capteurs de pression dynamiques sont passés des capteurs ICP aux capteurs amplificateurs de charge. Cependant, les capteurs d’amplificateur de charge perdent leur charge s’ils sont laissés allumés trop longtemps. Pour minimiser cet effet, un convertisseur ampli-ICP de charge en ligne a été utilisé en aval dans une région de température sûre. Comme la fréquence d’échantillonnage maximale du capteur de pression est de 500 000 échantillons/s, des taux d’échantillonnage supérieurs à 50 000 échantillons pourraient être enregistrés. Cependant, cela n’était pas nécessaire car les événements n’étaient pas si rapides.

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Les auteurs tiennent à remercier le Programme interarmées amélioré de technologie des munitions. M. Anthony DiStasio et Jeffrey Brock ont joué un rôle déterminant dans la réalisation de ces travaux.

Materials

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
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Referencias

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Essel, J., Nelson, A., Gray, C., Sumner, S., Holl, N. Laboratory Scale Slow Cook-Off Testing of Rocket Propellants: The Combustion Rate Analysis of a Slowly Heated Propellant (CRASH-P) Test. J. Vis. Exp. (168), e62216, doi:10.3791/62216 (2021).
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