مقياس المختبر بطيء كوك حالا اختبار الوقود الصاروخي: تحليل معدل الاحتراق من الوقود الدافع ساخنة ببطء (CRASH-P) اختبار
Summary
نقدم بروتوكولا لاختبار طبخ بطيء على نطاق المختبر للوقود الصاروخي الصلب يسمى تحليل معدل الاحتراق لاختبار الوقود الدافع الساخن ببطء (CRASH-P). يتم تسخين الوقود الصاروخي المحصور ببطء حتى autoignition ، ويتم قياس كل من درجة حرارة الطهي وعنف رد الفعل باستخدام مستشعرات الضغط الديناميكي.
Abstract
وتستخدم الوكالات العسكرية والفضائية على نطاق واسع الوقود الصاروخي الصلب في تطبيقات الدفع. وعلى الرغم من أنها فعالة للغاية، فإنها يمكن أن تشكل خطرا على الموظفين والمعدات في ظل ظروف معينة، مع بطء التدفئة في الظروف الضيقة التي تشكل خطرا خاصا. تصف هذه الورقة اختبارا مختبريا أكثر تكلفة يسهل إعداده وتم تطويره لفحص مكونات الوقود الصاروخي. يتم إلقاء الوقود الصاروخي في حاملات العينات التي تم تصميمها ليكون لها نفس الحبس مثل محركات الصواريخ القياسية (حجم الوقود إلى إجمالي الحجم في الحاوية) وضمان عدم تنفيس الوقود بسهولة. يتم قياس العنف رد الفعل من خلال الوقت الذي يستغرقه للوصول إلى 90٪ من الحد الأقصى للضغط بعد autoignition، وهو ما يماثل الانفجار مقاييس الضغط الزائد المستخدمة لقياس العنف في اختبار واسع النطاق. ولوحظ وجود ارتباط إيجابي بين السرعة والضغط الناتجين عن التفاعل والقوة التي ينتجها الوقود الصاروخي أثناء التفاعل.
Introduction
وتستخدم الوقود الصاروخي الصلب على نطاق واسع في تطبيقات الدفاع والفضاء وتوليد الغاز. فهي وقود موثوق بها نسبيا التي تؤدي العديد من الوظائف بشكل جيد للغاية. ومع ذلك، يحتوي العديد من الوقود الصاروخي على مكونات خطيرة مثل بيركلورات الأمونيوم (AP). يمكن أن تنفجر الوقود الصاروخي مع هذه المؤاكسات بعنف عندما يسخن ببطء1،2،3. وقد وقعت عدة حوادث بارزة مع بطء تسخين مكونات الوقود الصاروخي أو الوقود الصاروخي التي لفتت الانتباه إلى هذه القضايا مثل الحريق وما تلاه من طهي الذخائر على يو إس إس فوريستال4 وانفجار PEPCON1. وفي حين أن هذه الأحداث نادرة لحسن الحظ، فإنها يمكن أن تكون مدمرة بسبب فقدان الموظفين والمعدات التي تحدث. لذلك، هناك دافع لفهم عنف ردود الفعل هذه ودفعها إلى الأسفل كلما أمكن ذلك. أحد الأسباب الرئيسية لأحداث الطهي العنيفة مع الوقود الصاروخي هو أن العديد من المكونات تتحلل جزئيا ، تاركة غازات المنتج التفاعلية وراءها جنبا إلى جنب مع المؤاكس مع مساحة سطح تفاعلية معززة.
ومن الأمثلة المحددة على ذلك الملح الأيوني، بيركلورات الأمونيوم. يتم استخلاص التحلل منخفضة الحرارة من بيركلورات الأمونيوم وغير مكتملة، وترك المنتجات الوسيطة التفاعلية داخل إطار الوقود مع المسامية كبيرة ومساحة السطح المتاحة لردود الفعل اللاحقة5،6،7،8،9. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون الوقود الصاروخي التي تحتوي على نترات الأمونيوم ومركبات نيترامين المتفجرة ردود فعل عنيفة جدا عند تسخينها ببطء10،11،12. العنف البطيء هو مقياس هام للذخائر غير الحساسة لأن العديد من الصواريخ مطلوبة بموجب القانون لاجتاز هذه الاختبارات13. وفي الوقت الراهن، فإن أفضل طريقة لتحديد ما إذا كانت تركيبة الوقود الصاروخي تتفاعل بعنف شديد في ظل ظروف التدفئة البطيئة هي إجراء اختبار بطيء للطهي على محرك صاروخي كامل النطاق. تتضمن هذه الاختبارات أخذ محرك صاروخي كامل الحجم وتسخينه ببطء في فرن الحمل الحراري المتاح.
يتم توفير آثار درجة الحرارة في مواقع متعددة حتى رد الفعل حيث يتم تقييم العنف بعد ذلك على أساس مؤشرات مختلفة تتراوح بين تلف الحاويات وتجزئتها إلى مقاييس الضغط الزائد البسيطة وأجهزة استشعار الضغط الديناميكي لقياس ضغط الانفجار. هذه الاختبارات على نطاق واسع غالبا ما تكون مكلفة وغير عملية للتحقيق في تغييرات طفيفة في المكونات الوقود14. وقد تم إجراء عدد قليل من الاختبارات المختبرية التي تنطوي على وقود دفع التدفئة أو المتفجرات في مجموعة متنوعة من التشكيلات وتقييم الأضرار التي لحقت بالحاويات بعد حدث التوقيع التلقائي. على الرغم من أن الاختبارات المختبرية الحالية تتوقع الوقت لطهي الطعام بشكل جيد وأحيانا درجة حرارة autoignition15،16،17، فهي أقل قدرة على التنبؤ بالعنف.
اختبار واحد شائع الاستخدام هو اختبار طبخ الحبس المتغير18 الذي يسخن ببطء أسطوانة من الوقود حتى تشتعل. يتم تحديد عنف رد الفعل من خلال تجزئة الغرفة والبراغي أثناء رد فعل الشارة الذاتية الطاردة للحرارة. تستخدم الاختبارات المخبرية الأكثر شيوعا الشرط النهائي للغرفة لتصنيف عنف رد الفعل ، وهناك درجة من الذاتية للتقييم. ومن الصعب تحديد الاختلافات الصغيرة في عنف رد الفعل. وهذا التقييم للعنف نوعي في طبيعته، وقد يكون من الصعب تقييم ما إذا كان تغيير في عنصر صياغة ما قد غير عنف منظمة شنغهاي للتعاون. وعلاوة على ذلك، وخلافا لمحرك صاروخي فعلي، فإن الاختبارات المختبرية الحالية لا تحصر الوقود الدافع داخل الحالة. يمكن للغازات المنتجة الهروب بسهولة ، وهذا أمر مهم لأن الغازات يمكن أن تتفاعل مع الوقود الداسر بشكل غير متجانس أو تكون رد الفعل نفسها ، كما هو الحال في الأمونيا وحمض بيركلوريك إذا تم استخدام بيركلورات الأمونيوم.
واحدة من أفضل الجهود في الأجهزة اختبار مقياس المختبر ينطوي على استخدام جهاز استشعار الضغط الديناميكي على قنبلة صغيرة الحجم كوك حالا19. وقد أتاح ذلك تحديد فروق أعلى في القرار وقابلة للقياس الكمي في عنف رد الفعل فيما يتعلق بالتغيرات الطفيفة نسبيا في تركيب الوقود الصاروخي. ومع ذلك ، فإن مشكلة حرجة في هذا الاختبار هو أنه لم يحصر الوقود الصاروخي بنفس الطريقة التي يحصر بها محرك صاروخي فعلي ، وقد أظهرت العديد من تجارب النمذجة والمقياس الفرعي أن هذا عامل مهم للنظر في20. وبالإضافة إلى ذلك، لا يكون للوقود الدافع عادة نفس الكمية من المساحة السطحية المكشوفة أو نفس الحجم الحر ولا يقتصر هندسيا بنفس الطريقة التي يكون بها الاختبار الشامل. تم تصميم تحليل معدل الاحتراق لاختبار الوقود الدافع الساخن ببطء (CRASH-P) لتحسين هذه الاختبارات السابقة. ويمكن اختبار عينات تتراوح بين 25 غرام و 100 غرام في ظروف حبس الوقود الدافع المماثلة لاختبار كامل النطاق21. كما يوفر وسيلة لقياس الطاقة المنتجة من حدث التفاعل كميا من خلال قياسات استشعار الضغط الديناميكي ، وهو أمر لا توفره الاختبارات الفرعية الحالية. وقد تبين أن النتائج ترتبط ارتباطا جيدا باختبارات المنظمة الشاملة.
Protocol
Representative Results
Discussion
وكان أحد أهم أجزاء وضع اختبار CRASH-P هو تحديد المقياس من الاختبار الذي سيستخدم على أفضل وجه لتحديد عنف رد الفعل لصياغات الوقود الصاروخي. سرعة وكمية الضغط الناتجة عن رد الفعل يتناسب مباشرة مع القوة التي تنتجها وقود الدفع الصاروخي عند الرد. كما أنه مشابه مباشرة لقياس الضغط الزائد للانفجار المستخدم في اختبار منظمة شنغهاي للتعاون على نطاق واسع. في البداية، تم استخدام معدل الضغط (dP/dt)، ولكن هذه البيانات كانت مضللة لأن التركيبات المختلفة تحتوي على كميات مختلفة من الوقود والمأكسد وتنتج كميات مختلفة من الغاز مع تكوين متفاوت. ولتقليل هذا التحيز من آثار تغيير مكونات التركيبة، استخدم الوقت إلى 90٪ من ضغط الذروة بدلا من ذلك، وارتبط بشكل جيد بالعنف التجريبي الشامل لمنظمة شنغهاي للتعاون.
وثمة عملية اختبار أخرى تبين أنها مهمة هي الحبس. تم صنع حاملي العينات المبكرة بمواد بالحرارة مصممة للتعامل مع درجات الحرارة العالية للاختبار. ولسوء الحظ، في حين أن هذه العينات لم تذوب، فإنها خففت ولم توفر نفس الحبس الذي يوفره حاملو العينات المعدنية. وكان عنف رد الفعل لهذه العينات أقل بشكل ملحوظ من عنف رد الفعل لحاملي العينات المعدنية. ومن النتائج الرئيسية الأخرى التي تم التوصل إليها بشأن الاختبار أن بعض تركيبات الوقود الصاروخي لها أحجام حرجة للتوصل إلى أوتوينيت بشكل موثوق. واجهت التركيبات الألومينية صعوبة في الطهي والتأييط التلقائي إذا كانت أقل من 50 جراما. ويعزى ذلك إلى اشتراط وجود كمية عتبة من بيركلورات الأمونيوم اللازمة لرد الفعل العنيف. بالإضافة إلى ذلك ، كانت هناك رؤية أخرى أن البراغي البلاستيكية الحرارية لم تنجح. تم صنع مسامير حامل العينة CRASH-P الأصلية من PEEK ، وكان لا بد من تغيير هذا إلى الفولاذ المقاوم للصدأ. لم يكن الحبس قويا بما فيه الكفاية بسبب توسع مواد PEEK حراريا قبل تحقيق الشارة الذاتية للوقود الداسر.
بالنسبة لبعض التركيبات التي تشتعل في درجات حرارة أعلى ، فإن التركيبات القطنية بشكل رئيسي ، باستخدام حامل حامل وقود الألومنيوم أمر مرغوب فيه لأنها لا تلين في درجات حرارة أعلى. وأخيرا، كانت أجهزة استشعار الضغط الدينامي لبرنامج المقارنات الدولية هي أجهزة استشعار الضغط الأصلية المستخدمة. ومع ذلك ، بعد ~ 10 اختبارات ، حصلت على نتائج صاخبة على نحو متزايد ، وربما من التعرض لدرجة حرارة عالية جدا. وتحولت أجهزة استشعار الضغط الدينامي من أجهزة استشعار برنامج المقارنات الدولية لشحن أجهزة استشعار مكبر الصوت. ومع ذلك، تفقد مستشعرات مكبر الصوت المسؤولة الشحن إذا تركت لفترة طويلة جدا. ولتقليل هذا التأثير إلى أدنى حد، استخدم محول شحنة داخلية من أمبير إلى برنامج المقارنات الدولية في اتجاه المصب في منطقة آمنة لدرجات الحرارة. وبما أن الحد الأقصى لمعدل أخذ العينات من جهاز استشعار الضغط هو 000 500 عينة/ثانية، يمكن تسجيل معدلات أخذ العينات بسرعة أكبر من 000 50 عينة/ثانية. ومع ذلك، لم تكن هناك حاجة لذلك لأن الأحداث لم تكن بهذه السرعة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود المؤلفان أن يشكرا البرنامج المشترك لتكنولوجيا الذخائر المعززة. وكان للسيد أنتوني ديستاسيو وجيفري بروك دور فعال في التأكد من الانتهاء من هذا العمل.
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 |
References
- Ibitayo, O. O., Mushkatel, A., Pijawka, K. D. Social and political amplification of technological hazards: The case of the PEPCON explosion. Journal of Hazardous Materials. 114 (1-3), 15-25 (2004).
- Boggs, T. L. The hazards of solid propellant combustion. International Journal of Energetic Materials and Chemical Propulsion. 4 (1-6), 233-267 (1997).
- Price, D., Clairmont, A. R., Jaffe, I. Explosive behavior of ammonium perchlorate. Combustion and Flame. 11 (5), 415-425 (1967).
- Stewart, H. P. The impact of the USS Forrestal’s 1967 fire on United States navy shipboard damage control. Master’s Thesis, U.S. Army Command and General Staff College. , (2004).
- Bircumshaw, L. L., Newman, B. H. The thermal decomposition of ammonium perchlorate. I. Introduction, experimental analysis of gaseous products, and thermal decomposition experiments. Proceedings of the Royal Society A. Mathematical and Physical Sciences. 227 (1168), 115-132 (1954).
- Bircumshaw, L. L., Newman, B. H. The thermal decomposition of ammonium perchlorate, II. The kinetics of the decomposition, the effect of particle size, and discussion of results. Proceedings of the Royal Society of London . Series A. Mathematical and Physical Sciences. 227 (1169), 228-241 (1955).
- Bircumshaw, L. L., Phillips, T. R. The kinetics of thermal decomposition of ammonium perchlorate. Journal of the Chemical Society (Resumed). 12, 4741-4747 (1957).
- Boldyrev, V. V. Thermal decomposition of ammonium perchlorate. Thermochimica Acta. 443 (1), 1-36 (2006).
- Tolmachoff, E. D., Essel, J. T. Evidence and modeling of heterogeneous reactions of low temperature ammonium perchlorate decomposition. Combustion and Flame. 200, 316-324 (2019).
- Van Dolah, R. W., Mason, C. M., Perzak, F. J. P., Hay, J. E., Forshey, D. R. Explosion hazards of ammonium nitrate under fire exposure. Report of Investigations 6773, United States Department of the Interior, Bureau of Mines. , (1966).
- Doriath, G. Energetic insensitive propellants for solid and ducted rockets. Journal of Propulsion and Power. 11 (4), 870-882 (1995).
- Oxiey, J. C., Kaushik, S. M., Gilson, N. S. Thermal stability and compatibility of ammonium nitrate explosives on a small and large scale. Thermochimica Acta. 212 (21), 77-85 (1992).
- Melita, A. J. US IM Position. Proceedings of the 2006 Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium. , (2007).
- Hayden, H. F., Lustig, E. A., Lawrence, B. G. Development of small-scale slow cook-off (SCO) testing protocol for granular propellants. NDIA Insensitive Munitions and Energetic Materials Conference. , (2015).
- Victor, A. C Simple calculation methods for munitions cookoff times and temperatures. Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 20 (5), 252-259 (1995).
- Sandusky, H. W., Chambers, G. P., Erikson, W. W., Schmitt, R. G. Validation experiments for modelling slow cook off. Proceedings of the 12th International Detonation Symposium. , 863-872 (2002).
- Cook, M. P., Stennet, C., Hobbs, M. L. Development of a small scale thermal violence test. No. SAND2018-7274C. Sandia National Lab. , (2018).
- Alexander, K., Gibson, K., Baudler, B. Development of the Variable Confinement Cook-off Test. Indian Head Technical Report 1840. NAVSEA Indian Head Division. , (1996).
- Ho, S. Y. Thermomechanical properties of rocket propellants and correlation with cookoff behavior. Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 20 (4), 206-214 (1995).
- Erikson, W. W., Kaneshige, M. J. Pressure and free volume dependence in the cook-off of AP Composite Propellants. No. SAND2014-20085C. 46th JANNAF Combustion Subcommittee. , (2014).
- Essel, J. T., et al. Investigating the effect of chemical ingredient modifications on the slow cook-off violence of ammonium perchlorate solid propellants on the laboratory scale. Journal of Energetic Materials. 38 (2), 127-141 (2020).
