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Ingeniería

Test di cottura lenta su scala di laboratorio dei propellenti per razzi: l'analisi del tasso di combustione di un propellente riscaldato lentamente (CRASH-P) Test

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

Summary

Presentiamo un protocollo per un test di cottura lento su scala di laboratorio per propellenti a razzo solido chiamato analisi del tasso di combustione di un test crash-p (Slowly Heated Propellant). I propellenti per razzi confinati vengono lentamente riscaldati fino all’autoignizione, e sia la temperatura di cottura che la violenza della reazione vengono misurate con sensori di pressione dinamici.

Abstract

I propellenti a razzo solido sono ampiamente utilizzati per applicazioni di propulsione da agenzie militari e spaziali. Sebbene altamente efficaci, possono essere pericolosi per il personale e le attrezzature in determinate condizioni, con il riscaldamento lento in condizioni confinate che è un pericolo particolare. Questo documento descrive un test di laboratorio più conveniente che è più facile da configurare ed è stato sviluppato per lo screening degli ingredienti del propellente a razzo. I propellenti per razzi vengono gettati in supporti campione progettati per avere lo stesso confinamento dei motori a razzo standard (volume del propellente al volume totale nel contenitore) e garantire che il propellente non sia facilmente sfiato. La violenza di reazione è quantificata dal tempo necessario per raggiungere il 90% della pressione massima dopo l’autoignizione, che è analoga agli indicatori di sovrapressione usati per misurare la violenza in un test su larga scala. È stata osservata una correlazione positiva tra la velocità e la pressione prodotte dalla reazione e la potenza prodotta dal propellente del razzo durante la reazione.

Introduction

I propellenti per razzi solidi sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni di difesa, spazio e generazione di gas. Sono combustibili relativamente affidabili che svolgono molte funzioni estremamente bene. Tuttavia, molti propellenti a razzo contengono ingredienti pericolosi come il perclorato di ammonio (AP). I propellenti per razzi con questi ossidanti possono esplodere violentemente quando riscaldatilentamente 1,2,3. Ci sono stati diversi incidenti di alto profilo con il riscaldamento lento di propellente per razzi o ingredienti propellenti per razzi che hanno attirato l’attenzione su questi problemi come l’incendio e il successivo cook-off delle munizioni sulla USS Forrestal4 e l’esplosione pepcon1. Sebbene si tratta per fortuna di eventi rari, possono essere devastanti a causa delle perdite di personale e attrezzature che si verificano. Pertanto, c’è la motivazione a comprendere la violenza di queste reazioni e a farle cadere quando possibile. Una delle principali cause di violenti eventi di cottura con propellente a razzo è che molti degli ingredienti si decompongono parzialmente, lasciando dietro di sé gas di prodotto reattivi insieme all’ossidante con una superficie reattiva migliorata.

Un esempio specifico di questo è il sale ionico, il perclorato di ammonio. La decomposizione a bassa temperatura del perclorato di ammonio viene esente e incompleta, lasciando prodotti intermedi reattivi all’interno di una struttura propellente con porosità sostanziale e superficie disponibili per le reazionisuccessive 5,6,7,8,9. Inoltre, i propellenti per razzi che contengono nitrato di ammonio e composti esplosivi della nitramina possono avere reazioni molto violentese riscaldati lentamente 10,11,12. La lenta violenza di cottura è un’importante metrica di munizioni insensibili perché molti razzi sono tenuti per legge a superare questi test13. Attualmente, il modo migliore per determinare se una formulazione di propellente a razzo reagisce troppo violentemente in condizioni di riscaldamento lento è eseguire un test di cottura lento (SCO) su un motore a razzo su larga scala. Questi test prevedono l’assunzione di un motore a razzo a grandezza naturale e il riscaldamento lento in un forno a convezione usa e getta.

Le tracce di temperatura sono fornite in più luoghi fino alla reazione in cui la violenza viene quindi valutata sulla base di vari indicatori che vanno dal danno e frammentazione del contenitore ai semplici indicatori di sovrapressione e sensori di pressione dinamici per misurare la pressione di esplosione. Questi test su larga scala sono spesso costosi e non sono pratici per studiare piccole modifiche negli ingredienti del propellente14. Sono stati sviluppati alcuni test su scala di laboratorio che coinvolgono propellenti riscaldanti o esplosivi in una varietà di configurazioni e la valutazione dei danni al contenitore dopo l’evento di autoignizione. Sebbene gli attuali test su scala di laboratorio prediscino il tempo per cucinare bene e talvolta la temperatura di autoignizione15,16,17, sono meno in grado di prevedere la violenza.

Un test comunemente usato è il test di cottura a confinamento variabile18 che riscalda lentamente un cilindro di propellente fino a quando non si accende. La violenza della reazione è determinata dalla frammentazione della camera e dei bulloni durante la reazione di autoignizione esotermica. I test di laboratorio più comuni utilizzano la condizione finale della camera per classificare la violenza di reazione, e c’è un certo grado di soggettività alla valutazione. Piccole differenze nella violenza di reazione sono difficili da determinare. Questa valutazione della violenza è di natura qualitativa e può essere difficile valutare se un cambiamento in un ingrediente di formulazione alteri la violenza delle opzioni semplificate in questione. Inoltre, a differenza di un vero motore a razzo, gli attuali test di laboratorio non limitano il propellente all’interno di una custodia. I gas di prodotto possono facilmente fuoriuscire, e questo è importante perché i gas possono reagire con il propellente eterogeneamente o essere reattivi da soli, come nel caso dell’ammoniaca e dell’acido perclorico se viene utilizzato il perclorato di ammonio.

Uno dei migliori sforzi per instrumentare un test in scala di laboratorio ha comportato l’uso di un sensore di pressione dinamico su una bomba cook-off su piccola scala19. Ciò permise di determinare differenze quantificabili nella violenza di reazione per cambiamenti relativamente minori nella formulazione del propellente a razzo. Tuttavia, un problema critico con questo test è che non ha confinato i propellenti del razzo allo stesso modo di un vero motore a razzo, e numerosi esperimenti di modellazione e sottoscala hanno dimostrato che questo è un fattore importante perla considerazione 20. Inoltre, il propellente di solito non ha la stessa quantità di superficie esposta o lo stesso volume libero e non è geometricamente confinato allo stesso modo di una prova su larga scala. L’analisi della velocità di combustione di un propellente riscaldato lentamente (CRASH-P) è stata concepita per migliorare questi test precedenti. Campioni tra 25 g e 100 g possono essere testati in condizioni di confinamento del propellente simili a una prova su larga scala21. Fornisce anche un mezzo per misurare quantitativamente la potenza prodotta dall’evento di reazione attraverso misurazioni dinamiche del sensore di pressione, che è qualcosa che gli attuali test su sottoscala non forniscono. I risultati sono risultati ben correlati con i test SCO su larga scala.

Protocol

1. Preparazione del campione di propellente Mescolare accuratamente gli ingredienti del propellente (resina polimerica, plastificanti e particelle di combustibile solido e ossidante) insieme in un miscelatore planetario rotante per una durata prestabilita.NOTA: La durata della miscelazione dipende dalla formulazione specifica, ma la maggior parte delle miscele prende almeno 2 ore. Lanciare propellente per razzi non curato in un portacampioni CRASH-P appositamente realizzato. Posizionare un mandrino in politetrafluoroetilene al centro del portacampioni durante la colata per creare una perforazione centrale quando il propellente si polimerizza. Utilizzare un supporto mandrino(Figura 1)per garantire che la perforazione centrale nel propellente sia dritta e coerente.NOTA: I portacampioni CRASH-P devono essere scalati per avere lo stesso volume di propellente al volume interno della camera di un motore a razzo reale per imitare il confinamento del propellente di un motore a razzo su larga scala. I portacampioni CRASH-P sono realizzati in chetone etere di polietere (PEEK) o alluminio. Sebbene le formulazioni di razzi senza carburante metallico possano utilizzare il PEEK, le formulazioni metallizzate dovrebbero utilizzare supporti in alluminio in modo che non si sciolgano prematuramente durante l’autoignizione. Posizionare campioni CRASH-P in un forno per accelerare eventuali reazioni di poliuretano o altra chimica necessaria per curare il propellente. Mantenere la temperatura del forno a 60 °C per le cure di uretano e aumentare o diminuire la temperatura a seconda degli ingredienti del propellente del razzo. Dopo che i propellenti si sono polimeri, tagliarli in modo che il propellente in eccesso non spogli dalla superficie del supporto del campione e interferisca con la guarnizione della faccia dell’O-ring. Rimuovere in modo sicuro il mandrino da ogni formulazione estraendolo delicatamente.NOTA: Il propellente deve essere tagliato con una lama di rasoio o un altro oggetto affilato per ridurre al minimo l’abrasione di attrito contro la superficie del propellente. Posizionare un O-ring in silicone all’interno della faccia del portacampioni CRASH-P per una corretta tenuta di pressione (Figura 1).NOTA: la dimensione dell’O-ring varia a seconda delle dimensioni del portacampioni CRASH-P. Ad esempio, un O-ring di dimensioni 025 viene utilizzato per il test da 25 g e un O-ring di dimensioni 128 viene utilizzato per il test da 50 g. Bullonare il coperchio sul portacampioni CRASH-P e stringerlo con una chiave inglese Allen. Stringere i bulloni in un motivo a stella per distribuire la forza di tenuta in modo più uniforme. 2. Preparazione della camera CRASH-P Assicurarsi che la camera CRASH-P non sia pressurizzata aprendo la valvola di scarico collegata alla camera CRASH-P. Rimuovere il coperchio della camera, il cappuccio e la rondella di spinta dal corpo CRASH-P. Collegare una tavola al tappo CRASH-P per tenere in mano i campioni CRASH-P. Pulire la camera CRASH-P per rimuovere le tracce dell’ultimo test. Strofinare tutti i residui di combustione con una spazzola a filo e pulire la camera con un solvente organico come etanolo, isopropanolo, acetone o metil metile chetone. Smaltire qualsiasi materiale detergente monoindondo come rifiuti pericolosi secondo le normative locali e nazionali.NOTA: I dispositivi di protezione individuale devono essere utilizzati durante la pulizia con i solventi elencati, come la protezione degli occhi, un cappotto di laboratorio appropriato o guanti resistenti chimicamente. Ispezionare i sensori di pressione dinamica CRASH-P per eventuali usura insolita.NOTA: I sensori utilizzano un montaggio ad incasso con la camera CRASH-P perché possono gestire solo una temperatura massima di 204 °C per evitare danni alla loro elettronica interna. Questi sensori ad alta temperatura e amplificati dalla carica utilizzano un convertitore a valle (vedi tabella dei materiali)per cambiare il segnale in un segnale piezoelettrico a circuito integrato (ICP). Rimuovere i raccordi NPT (American National Pipe Thread) da 1/8 pollice che attaccano i sensori di pressione al corpo principale crash-p. Pulire eventuali residui di combustione con una spatola o un solvente organico. Sfilettare il sensore di pressione dall’accoppiamento NPT. Riempire l’accoppiamento NPT con sigillante in silicone vulcanizzante a temperatura ambiente. Infilare il sensore di pressione all’interno, assicurandosi che parte del sigillante sia estruso. Pulire il sigillante in modo che sia a filo con il raccordo NPT da 1/8 di pollice. Lasciare che il sigillante curi per almeno 12 ore. Reinstallare i sensori di pressione accoppiati al TNP per proteggere i sensori da errori di temperatura indotti dall’esplosione nelle letture dinamiche della pressione. Preparare feedthrough elettrici per la diagnostica della temperatura. Rimuovere i fili della termocopia del loro isolamento e eseguire i fili nudi attraverso il manicotto isolante.NOTA: Il modello e il tipo di feedthrough elettrici variano a seconda del calibro del filo e delle quantità di feedthrough necessarie. Vedere la tabella dei materiali per i feedthrough elettrici utilizzati nella camera CRASH-P. Utilizzare termoaccoppie standard di tipo K per il test CRASH-P in quanto la temperatura e le frequenze di campionamento del test sono abbastanza standard. Installare una connessione di accoppiamento sull’altra estremità del feedthrough.NOTA: Per motivi di produttività, si incoraggia a effettuare più feedthrough elettrici. Infilare i due feedthrough elettrici attraverso il tappo della camera. Lasciare almeno 0,3 m di termoaccoppiola per ogni avanzamento all’interno della camera. Assicurarsi che il lato perline delle termocopia sia all’interno della camera CRASH-P. 3. Installazione del campione di propellente Bullonare il campione CRASH-P sigillato alla tavola d’acciaio (Figura 2B) attaccata al tappo della camera del test CRASH-P per mantenere il campione al centro della camera.NOTA: Assicurarsi che il campione si trova al centro della camera senza toccare la parete del recipiente assicura che il campione sia riscaldato per convezione anziché per conduzione. Posizionare una delle termocopianze dai feedthrough elettrici all’interno del supporto del campione del propellente per catturare eventuali reazioni esotermiche. Posizionare un’altra termoscopia sulla tavola d’acciaio, indicando verso l’alto per campionare la temperatura dell’aria all’interno della camera CRASH-P (Figura 2). Assicurarsi che il campionamento della termocopia della temperatura dell’aria sia la termocopia di controllo per il regolatore di temperatura. Posizionare l’anello di tenuta nel rientro ad anello sulla camera CRASH-P. Assicurarsi che l’anello di tenuta sia pulito da eventuali detriti di oggetti estranei. Una volta fissato correttamente il campione sulla tavola e posizionate correttamente le termocopia, far scorrere il tappo della camera nel corpo della camera. Fare attenzione a non ruotare il tappo della camera contrassegnando il cappuccio della camera. Utilizzare un’asta cilindrica per inserire la rondella di spinta e infilare completamente e stringere la testa di contenimento sulla camera. Installare il bullone esagonale a vite 7/8″-9 nella testa della camera. Stringerli in un motivo a stella per assicurarsi che la camera sia stretta uniformemente. Utilizzare una chiave di coppia per il serraggio della camera finale per garantire una tenuta uniforme.NOTA: Generalmente, 169,48 N-m sono sufficienti per una tenuta uniforme. Installare i morsetti del fermo della camera e tenerli in posizione con perni di tassello. Se necessario, utilizzare un martello di gomma per garantire una vestibilità aderente alla vongola e prevenire il movimento verticale dalla camera. Installare la piastra finale della camera imbullonando questa tabella al tavolo di prova per evitare che il test CRASH-P si movimenti assiale durante un evento di accensione. Collegare i cavi coassiali del sensore di pressione dinamico al condizionatore di segnale. Collegare i riscaldatori a banda elettrica (Figura 2D) alle prese di uscita che si collegano ai regolatori di temperatura in modo che i riscaldatori a banda possano essere controllati da un regolatore di temperatura che fornisce energia 220 VAC ai riscaldatori. 4. Impostazione e controllo della strumentazione di prova Programmare il regolatore di temperatura (che richiede 120 VAC di potenza) in modo che trasmetta un segnale a 24 V a un interruttore relè a stato solido che determina quando l’alimentazione di riscaldamento è accesa o spenta.NOTA: Come ogni test di cottura, la programmazione del regolatore di temperatura è fondamentale per eseguire test affidabili. Regolare il regolatore di temperatura prima del test per ottenere le caratteristiche di riscaldamento appropriate.NOTA: Il guadagno proporzionale, le caratteristiche integrali e la velocità devono essere tutti impostati per ridurre al minimo le oscillazioni e il superamento. Impostare i valori di temperatura necessari per i 16 intervalli di tempo sul regolatore di temperatura. Utilizzare i primi tre intervalli per impostare una rampa e un periodo di ammollo in cui la temperatura viene mantenuta a 50 °C per almeno 2 ore. Quindi, inserire gli intervalli per fornire i punti dati per il test per avere un profilo di riscaldamento lineare che non cambia pendenza durante la prova (15 °C / h è l’obiettivo) e impostare la temperatura finale a 300 °C. Assicurarsi che i fili di ingresso e di uscita siano collegati al condizionatore dinamico del segnale di pressione. Accendere il condizionatore dinamico del segnale di pressione. Se non sono indicati pantaloncini, procedere al passaggio successivo.NOTA: Una luce rossa si illumina per un sensore corto. Utilizzare tre termoaccoppie di tipo K le cui estremità terminano all’interno di un amplificatore a termocopia e assicurarsi che l’amplificatore sia acceso. Accendere la telecamera di monitoraggio per il test per registrare il test CRASH-P tramite video in modo che gli operatori possano vedere se succede qualcosa alla camera da remoto. Accendere l’alimentazione elettrica dei riscaldatori sulla console di controllo (Figura 3) e accendere il regolatore di temperatura per eseguire il test da remoto. Nella pagina CTRL del regolatore di temperatura attivare RSEN. Premere il pulsante aux sul regolatore di temperatura per modificare le condizioni di prova da standby a esecuzione in modo che il test inizi a riscaldare la camera. 5. Acquisizione e pulizia dei test dei dati Costruire un banco di lavoro nel software del sistema di acquisizione dati per creare due regioni distinte per la raccolta dei dati di prova: una per la pressione che deve essere misurata dalla scheda principale e l’altra per le temperature da prendere per l’amplificatore a termoaccoppio(figura 3). Controllare il sistema di acquisizione dati per verificare se c’è stato un evento attivato, il che implica che il campione ha sperimentato una reazione esotermica e può essere arrestato. Impostare il sistema in modo che funzioni su un meccanismo di sweep attivato in modo che, dopo aver raggiunto una tensione di soglia, la velocità di campionamento della pressione vada da un campione al secondo a 50.000 campioni/s per risolvere con precisione il lavoro svolto dal campione reagente durante l’autoignizione.NOTA: Le prove inerti devono essere eseguite in anticipo per studiare come controllare la velocità di riscaldamento. I sensori amplificati a carica possono campionare ad una velocità fino a 500.000 campioni/s, ma tale velocità di solito non è necessaria per questo test. Se si osserva una reazione innescata esotermica, premere il pulsante di arresto sul software di acquisizione dati. Poiché l’acquisizione dei dati non termina da sola, controllare periodicamente il test per verificare la presenza di un esotermia di temperatura o di una risposta di pressione innescata. Se si osserva uno di questi elementi, interrompere manualmente la registrazione e spegnere la potenza del riscaldatore, il video e il regolatore di temperatura. Esportare manualmente i dati di temperatura e pressione in file di testo delimitati da tabulazioni, assicurandosi che i dati di pressione e temperatura siano esportati separatamente a causa delle diverse frequenze di campionamento. Trasferire i file di testo in un altro computer per eseguire l’analisi dei dati sui risultati. Attendere almeno 12 ore prima che la prova si raffredda prima di smontare la camera di prova. Sfiatare la camera per rilasciare eventuali gas di prodotto dalla reazione esotermica. Smontare con cura la camera di prova.NOTA: Indossare dispositivi di protezione individuale- camice da laboratorio chimico / resistente alla fiamma, guanti appropriati e un respiratore come prodotti propellenti per razzi può essere pericoloso. Pulire la camera e tutti i componenti e acquisire i frammenti del contenitore del campione del supporto del campione. 6. Analisi dei dati CRASH-P NOTA: L’analisi dei dati consiste nelle tracce di temperatura effettive e nei dati di pressione dinamica attivati. Il sistema di acquisizione dati contrassegna la posizione del trigger e l’utente può vedere l’ora in cui si è verificato. Il trigger corrisponde a un valore di pressione dinamica superiore del 5% rispetto alla linea di base. Interrompere la registrazione nel software ed esportare i dati di temperatura e pressione in file di testo delimitati da tabulazioni. Aprire i file di testo con il software di grafica. Controllare i dati relativi agli esotermi di temperatura da cui è possibile determinare la temperatura di accensione e verificare la velocità con cui la camera pressurizza. Confrontare i risultati crash-p con i dati di test SCO su larga scala per la formulazione in fase di test, se disponibili. Confronta la temperatura di autoignizione e la violenza di reazione.

Representative Results

Per aiutare il lettore a visualizzare il modo in cui i sottosistemi del test CRASH-P interagiscono tra loro, nella figura 4 viene mostrato uno schema sperimentale. Le termocopia all’interno della camera CRASH-P controllano i dati di alimentazione del sistema di acquisizione dati attraverso un amplificatore termocopia. Il regolatore di temperatura aziona un relè elettrico, che accende e spegne i riscaldatori a banda elettrica. Ciò garantisce che il profilo di riscaldamento corretto sia raggiunto per il campione di propellente del razzo. Quando si verifica l’autoignizione del campione, il sistema di acquisizione dati attiva la raccolta di dati di pressione dinamica ad alta velocità a 50.000 campioni/s. Il test termina quindi, i dati vengono salvati e il sistema di controllo della temperatura è disattivato. Dopo almeno 12 ore, la camera CRASH-P deve essere a temperatura ambiente e tutti i gas di prodotto possono essere esauriti. I risultati rappresentativi tipici sono visti nella figura 5. Le tracce di temperatura sono fornite per l’aria interna della camera e la temperatura interna del propellente dal sistema di acquisizione dati. Reazioni esotermiche minori prima dell’accensione sono spesso misurate insieme alla principale reazione esotermica. Di solito, la reazione esotermica non è abbastanza violenta da rompere la perla della termocopia, quindi l’intero evento può essere catturato. Inoltre, le letture dinamiche della pressione per la reazione vengono registrate per i manometri dinamici anteriori, posteriori e posteriori. Come la maggior parte degli eventi di cottura di laboratorio, lo stato del contenitore campione dopo la reazione può essere valutato per i danni (Figura 5C). Infine, la figura 5D mostra che può esserci un grado piuttosto elevato di variazione misurata nella violenza di reazione di diversi campioni di propellente, consentendo di quantificare e confrontare la violenza per le diverse reazioni. In generale, reazioni di pressurizzazione più veloci avevano più dispersione o rumore nei dati di pressione (Figura 5D), che è coerente con la maggiore oscillazione della camera a causa di una risposta più violenta. Figura 1: Preparazione e sigillatura di campioni CRASH-P. (A) Gli ingredienti del propellente a razzo sono mescolati in un miscelatore planetario. (B) Il propellente a razzo viene gettato in un portacampioni con mandrino di politetrafluoroetilene. (C) I campioni di propellente vengono tagliati e un O-ring viene posto nel contenitore per la sigillatura. (D) Il contenitore del campione è sigillato e imbullonato. Il confinamento del campione è lo stesso di quello dei motori a razzo. Abbreviazione: CRASH-P = Analisi del tasso di combustione di un propellente riscaldato lentamente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 2: Caricamento e preparazione del campione della prova CRASH-P. Il posizionamento del campione è fondamentale. (A) I campioni sono posti su una tavola e riscaldati centralmente per convezione naturale durante le prove. (B) Il campione viene imbullonato e tenuto in posizione sulla tavola. (C) Le termoaccoppie sono posizionate sulla tavola e all’interno del campione di propellente per il controllo della temperatura e per scopi diagnostici. (D) La camera CRASH-P è sigillata e i riscaldatori a banda sono collegati a un alimentatore da 220 VAC controllato dal regolatore di temperatura. Abbreviazione: CRASH-P = Analisi del tasso di combustione di un propellente riscaldato lentamente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 3: Strumentazione e acquisizione dei dati per il test CRASH-P. (A) Condizionatore di segnale a pressione dinamica, (B) amplificatore termocopia, (C) controlli di riscaldamento di prova e (D) acquisizione dati durante la prova. . Abbreviazione: CRASH-P = Analisi del tasso di combustione di un propellente riscaldato lentamente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 4: Schema sperimentale della prova CRASH-P. Il sistema di monitoraggio della temperatura controlla la velocità di riscaldamento. I sensori di pressione dinamici quantificano la violenza di reazione dell’evento di autoignizione e un sistema di acquisizione dati registra tutti questi dati di test per l’esperimento. CRASH-P = Analisi del tasso di combustione di un propellente riscaldato lentamente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 5: Dati rappresentativi delle prove per la prova CRASH-P. (A) Tracce di temperatura durante una prova. (B) Letture della pressione dinamica posteriore, posteriore e anteriore. (C) Contenitore campione CRASH-P dopo il test. (D) Confronto delle letture della pressione dinamica anteriore per sei diverse formulazioni di propellente a razzo. CRASH-P = Analisi del tasso di combustione di un propellente riscaldato lentamente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

Una delle parti più importanti della definizione del test CRASH-P è stata decidere quale metrica del test sarebbe stata meglio utilizzata per quantificare la violenza di reazione delle formulazioni del propellente del razzo. La velocità e la quantità di pressione prodotte dalla reazione sono direttamente proporzionali alla potenza prodotta dal propellente del razzo durante la reazione. È anche direttamente analogo al misuratore di sovrapressione dell’esplosione utilizzato in un test SCO su larga scala. Inizialmente è stato utilizzato il tasso di pressurizzazione (dP/dt), ma questi dati erano fuorvianti perché diverse formulazioni contengono diverse quantità di combustibile e ossidante e producono diverse quantità di gas con composizione variabile. Per ridurre al minimo questa distorsione dagli effetti della modifica degli ingredienti della formulazione, è stato invece utilizzato il tempo al 90% di pressione di picco, ed è stato correlato bene con la violenza dei test SCO su larga scala.

Un’altra operazione di test che è stata trovata importante è il confinamento. I primi portacampioni sono stati realizzati con materiali termoplastici progettati per gestire le alte temperature del test. Sfortunatamente, mentre questi campioni non si scioglievano, si ammorbidivano e non fornivano lo stesso confinamento dei supporti per campioni metallici. La violenza di reazione per questi campioni è stata notevolmente inferiore alla violenza di reazione per i detentori di campioni di metallo. Un’altra scoperta chiave del test fu che alcune formulazioni di propellente a razzo avevano dimensioni critiche per l’autoignite in modo affidabile. Le formulazioni alluminate hanno avuto difficoltà a cucinare e autoignizione se erano sotto i 50 g. Ciò è stato attribuito al requisito di una quantità soglia di perclorato di ammonio necessaria per la reazione violenta. Inoltre, un’altra intuizione era che i bulloni termoplastici non funzionavano. I bulloni originali del portacampioni CRASH-P erano realizzati in PEEK, e questo doveva essere cambiato in acciaio inossidabile. Il confinamento non era abbastanza forte a causa dell’espansione termica del materiale PEEK prima che fosse raggiunta l’autoignizione del propellente.

Per alcune formulazioni che si accendono a temperature più elevate, principalmente formulazioni alluminate, è auspicabile l’utilizzo di una custodia porta propellente in alluminio in quanto non si ammorbidiscono a temperature più elevate. Infine, i sensori di pressione dinamici ICP erano i sensori di pressione originali utilizzati. Tuttavia, dopo ~10 test, i risultati sono diventati sempre più rumorosi, probabilmente dall’essere esposti a una temperatura troppo alta. I sensori di pressione dinamici sono stati passati dai sensori ICP ai sensori dell’amplificatore di carica. Tuttavia, i sensori dell’amplificatore di carica perdono carica se lasciati attivi per troppo tempo. Per ridurre al minimo questo effetto, è stato utilizzato un convertitore amp-to-ICP di carica in linea a valle in una regione di temperatura sicura. Poiché la frequenza massima di campionamento del sensore di pressione è di 500.000 campioni/s, è stato possibile registrare tassi di campionamento superiori a 50.000 campioni/s. Tuttavia, non c’era bisogno di questo in quanto gli eventi non erano così veloci.

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Gli autori ringraziano il Joint Enhanced Munitions Technology Program. Anthony DiStasio e Jeffrey Brock sono stati fondamentali per assicurarsi che questo lavoro fosse completato.

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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