בדיקת בישול איטית בקנה מידה של דלקים רקטיים: ניתוח קצב הבעירה של בדיקת דלק מחוממת לאט (CRASH-P)
Summary
אנו מציגים פרוטוקול לבדיקת בישול איטית בקנה מידה מעבדה עבור דלקים רקטיים מוצקים הנקרא ניתוח קצב הבעירה של מבחן דלק מחומם לאט (CRASH-P). דלקי רקטות מוגבלים מחוממים לאט עד להצתה אוטומטית, וגם טמפרטורת הבישול וגם האלימות של התגובה נמדדים בחיישני לחץ דינמיים.
Abstract
דלקי רקטות מוצקים נמצאים בשימוש נרחב ליישומי הנעה על ידי סוכנויות צבאיות וחלל. למרות יעיל מאוד, הם יכולים להיות מסוכנים כוח אדם וציוד בתנאים מסוימים, עם חימום איטי בתנאים מוגבלים להיות סכנה מסוימת. מאמר זה מתאר בדיקת מעבדה זולה יותר כי קל יותר להגדיר ופותח עבור הקרנת מרכיבי דלק רקטות. דלקי רקטות מוטסים למחזיקי דגימה שתוכננו להיות בעלי כליאה זהה למנועי רקטות סטנדרטיים (נפח דלק לנפח הכולל במיכל) ומוודאים כי לא ניתן לפרוק את המדחף בקלות. אלימות התגובה מכומתת על ידי הזמן שלוקח להגיע ל -90% מהלחץ המרבי לאחר הצתה אוטומטית, אשר מקבילה לפיצוץ מדי לחץ יתר המשמשים למדידת אלימות במבחן בקנה מידה מלא. נמצא מתאם חיובי בין המהירות והלחץ שהופקו מהתגובה לבין הכוח שמייצר דלק הרקטות במהלך התגובה.
Introduction
דלקי רקטות מוצקים משמשים בהרחבה ביישומי הגנה, חלל וגז. הם דלקים אמינים יחסית המבצעים פונקציות רבות היטב. עם זאת, דלקים רקטיים רבים מכילים מרכיבים מסוכנים כגון אמוניום פרכלורט (AP). דלקים רקטיים עם מחמצנים אלה יכולים להתפוצץ באלימות כאשר מחומם לאט1,2,3. היו כמה תאונות בפרופיל גבוה עם חימום איטי של דלק רקטות או מרכיבי דלק רקטות שמשכו תשומת לב לנושאים אלה כגון האש ובישול לאחר מכן של תחמושת על USS Forrestal4 ואת פיצוץ PEPCON1. אמנם אלה הם אירועים נדירים למרבה המזל, הם יכולים להיות הרסניים בגלל אובדן כוח אדם וציוד המתרחשים. לכן, יש מוטיבציה להבין את האלימות של תגובות אלה ולדחף אותם למטה במידת האפשר. אחד הגורמים העיקריים לאירועי בישול אלימים עם דלק רקטי הוא שרבים מהמרכיבים מתפרקים חלקית, ומשאירים גזי מוצר תגובתיים מאחור יחד עם החמצון עם שטח פנים תגובתי משופר.
דוגמה ספציפית לכך היא מלח יוני, אמוניום פרכלורט. פירוק בטמפרטורה נמוכה של אמוניום perchlorate נמשך החוצה ולא שלם, משאיר מוצרי ביניים תגובתי במסגרת דלק עם נקבוביות משמעותית שטח הפנים זמין לתגובות הבאות5,6,7,8,9. בנוסף, דלקים רקטיים המכילים אמוניום חנקתי ותרכובות חנקן נפץ יכול להיות תגובות אלימות מאוד כאשר מחומם לאט10,11,12. אלימות בישול איטית היא מדד תחמושת חסר רגישות חשוב מכיוון שרקטות רבות נדרשות על פי חוק לעבור את המבחניםהאלה 13. נכון לעכשיו, הדרך הטובה ביותר לקבוע אם ניסוח דלק רקטי מגיב באלימות רבה מדי בתנאי חימום איטיים היא להריץ בדיקת בישול איטית (SCO) על מנוע רקטי בקנה מידה מלא. בדיקות אלה כוללות לקיחת מנוע רקטי בגודל מלא וחימום איטי בתנור קונבקציה חד פעמי.
עקבות טמפרטורה מסופקות במספר מקומות עד לתגובה שבה האלימות מוערכת לאחר מכן על סמך אינדיקטורים שונים החל מנזק במכולה ופיצול ועד מדי לחץ יתר פשוט וחיישני לחץ דינמיים למדידת לחץ פיצוץ. בדיקות בקנה מידה מלא אלה הם לעתים קרובות יקרים ואינם מעשיים לחקירת שינויים קלים במרכיבי דלק14. פותחו מספר בדיקות בקנה מידה של מעבדה הכוללות חימום דלקים או חומרי נפץ במגוון תצורות והערכה של נזקי מכולה לאחר אירוע ההצתה האוטומטית. למרות בדיקות בקנה מידה מעבדה הנוכחי לחזות את הזמן לבשל היטב ולפעמים את טמפרטורת ההצתה האוטומטית15,16,17, הם פחות מסוגלים לחזות את האלימות.
בדיקה נפוצה אחת היא מבחן בישול הכליאה המשתנה18 שמחמם לאט גליל של דלק עד שהוא מתפוצץ. האלימות של התגובה נקבעת על ידי פיצול החדר וברגים במהלך תגובת ההצתה האוטומטית האקסותרמית. בדיקות המעבדה הנפוצות ביותר משתמשות במצב הסופי של התא כדי לדרג אלימות תגובה, ויש מידה של סובייקטיביות להערכה. קשה לקבוע הבדלים קטנים באלימות התגובה. הערכה זו של אלימות היא איכותית מטבעה, וקשה להעריך אם שינוי במרכיב הפורמולציה שינה את האלימות של SCO. יתר על כן, בניגוד למנוע רקטי בפועל, בדיקות המעבדה הנוכחיות אינן מגבילות את הדחף בתוך מקרה. גזי מוצר יכולים בקלות לברוח, וזה חשוב כי הגזים יכולים להגיב עם הטרוגני דלק באופן או להיות תגובתי עצמם, כמו במקרה של אמוניה וחומצה פרכלורית אם אמוניום perchlorate משמש.
אחד המאמצים הטובים ביותר בהפעלת בדיקת סולם מעבדה כלל שימוש בחיישן לחץ דינמי על פצצת בישול בקנה מידה קטן19. זה איפשר רזולוציה גבוהה יותר, הבדלים הניתנים לכימות באלימות התגובה להיקבע לשינויים קלים יחסית ניסוח דלק רקטות. עם זאת, בעיה קריטית עם בדיקה זו היא כי זה לא גביל את דלקי הרקטות באותו אופן כמו מנוע רקטי בפועל, וניסויים דוגמנות תת-קרקעיים רבים הראו שזה גורם חשוב לשיקול20. בנוסף, לדלק בדרך כלל אין את אותה כמות של שטח פנים חשוף או אותו נפח חופשי ואינו מוגבל גיאומטרית באותו אופן כמו בדיקה בקנה מידה מלא. ניתוח קצב הבעירה של מבחן דלק מחומם לאט (CRASH-P) נוצר כדי לשפר על בדיקות קודמות אלה. דגימות בין 25 גרם ל 100 גרם ניתן לבדוק בתנאי כליאה דלק דומים כמו מבחן בקנה מידה מלא21. הוא גם מספק אמצעי למדידת הכוח המופק מאירוע התגובה כמותית באמצעות מדידות חיישן לחץ דינמיות, וזה משהו שבדיקות תת-דרג הנוכחיות אינן מספקות. התוצאות נמצאו לתאם היטב עם בדיקות SCO בקנה מידה מלא.
Protocol
Representative Results
Discussion
אחד החלקים החשובים ביותר בהקמת מבחן CRASH-P היה להחליט באיזה מדד מהבחינה ישמש בצורה הטובה ביותר לכימות האלימות התגובהית של ניסוחי דלק הרקטות. המהירות וכמות הלחץ המופקת מהתגובה היא פרופורציונלית ישירות לכוח המיוצר על ידי דלק הרקטות בעת תגובה. זה גם מקביל ישירות למד לחץ יתר פיצוץ המשמש במבחן SCO בקנה מידה מלא. בתחילה, נעשה שימוש בשיעור לחץ (dP/dt), אך נתונים אלה היו מטעים מכיוון שניסוחים שונים מכילים כמויות שונות של דלק ומחמצן ומייצרים כמויות שונות של גז בהרכב משתנה. כדי למזער הטיה זו מההשפעות של שינוי מרכיבי הניסוח, נעשה שימוש בלחץ שיא של 90% במקום, והוא התאים היטב עם אלימות מבחן SCO בקנה מידה מלא.
פעולת בדיקה נוספת שנמצאה חשובה היא הכליאה. מחזיקי מדגם מוקדם נעשו עם חומרים תרמופלסטיים שנועדו להתמודד עם הטמפרטורות הגבוהות של הבדיקה. למרבה הצער, בעוד דגימות אלה לא נמסו, הם התרככו ולא סיפקו את אותו כליאה כמו מחזיקי דגימת מתכת. אלימות התגובה של דגימות אלה הייתה נמוכה באופן ניכר מאלימות התגובה של בעלי מדגם מתכת. ממצא מרכזי נוסף על הבדיקה היה כי כמה ניסוחים דלק רקטות היו גדלים קריטיים כדי להתגית באופן אוטומטי. ניסוחים בוגרים התקשו לבשל ולהצית אוטומטית אם הם היו מתחת ל -50 גרם. זה יוחס לדרישה של כמות סף של אמוניום perchlorate שנדרש לתגובה האלימה. בנוסף, תובנה נוספת הייתה שברגים תרמופלסטיים לא עבדו. ברגי מחזיק מדגם CRASH-P המקוריים נעשו מ- PEEK, והיה צריך לשנות זאת לפלדת אל-חלד. הכליאה לא הייתה חזקה מספיק בגלל חומר PEEK שהתרחב תרמית לפני שהושגה הצתה אוטומטית של דלק.
עבור ניסוחים מסוימים להצית בטמפרטורות גבוהות יותר, בעיקר ניסוחים אלומיניום, באמצעות מארז מחזיק דלק אלומיניום רצוי כפי שהם לא לרכך בטמפרטורות גבוהות יותר. לבסוף, חיישני לחץ דינמיים של ICP היו חיישני הלחץ המקוריים בהם נעשה שימוש. עם זאת, לאחר ~ 10 בדיקות, התוצאות יש יותר ויותר רועש, כנראה מלהיות חשוף לטמפרטורה גבוהה מדי. חיישני הלחץ הדינמיים הוחלפו מחיישני ICP כדי לטעון חיישני מגבר. עם זאת, חיישני מגבר הטעינה מאבדים טעינה אם הם נשארים למשך זמן רב מדי. כדי למזער אפקט זה, ממיר מגבר ל- ICP של טעינה בשורה שימש במורד הזרם באזור טמפרטורה בטוח. מכיוון שקצב הדגימה המרבי של חיישן הלחץ הוא 500,000 דגימות/ש’, ניתן היה לרשום קצבי דגימה מהירים יותר מ-50,000 דגימה/ש’. עם זאת, לא היה צורך בכך מכיוון שהאירועים לא היו כל כך מהירים.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להודות לתוכנית טכנולוגיית התחמושת המשופרת המשותפת. מר אנתוני דיסטסיו וג’פרי ברוק סייעו לוודא שהעבודה הזו הושלמה.
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).
