Teste de cozimento lento de escala de laboratório de propulsores de foguete: a análise da taxa de combustão de um teste de propelente aquecido lentamente (CRASH-P)
Summary
Apresentamos um protocolo para um teste de cozimento lento em escala laboratorial para propulsores de foguetes sólidos chamado análise de taxa de combustão de um teste de propelente aquecido lentamente (CRASH-P). Propulsores de foguetes confinados são lentamente aquecidos até a autoignição, e tanto a temperatura de cozimento quanto a violência da reação são medidos com sensores de pressão dinâmicas.
Abstract
Propulsores de foguetes sólidos são amplamente utilizados para aplicações de propulsão por agências militares e espaciais. Embora altamente eficazes, eles podem ser perigosos para o pessoal e equipamentos sob certas condições, com o aquecimento lento em condições confinadas sendo um perigo particular. Este artigo descreve um teste de laboratório mais acessível que é mais fácil de configurar e foi desenvolvido para triagem de ingredientes propulsores de foguetes. Os propulsores de foguete são lançados em suportes de amostras que foram projetados para ter o mesmo confinamento que os motores de foguete padrão (volume de propelente para o volume total no recipiente) e garantir que o propulsor não seja facilmente ventilado. A violência de reação é quantificada pelo tempo que leva para atingir 90% da pressão máxima após a autoignição, o que é análogo a medir medidores de sobrepressão usados para medir a violência em um teste em larga escala. Observou-se correlação positiva entre a velocidade e a pressão produzidas a partir da reação e a potência produzida pelo propulsor de foguete durante a reação.
Introduction
Propulsores de foguetes sólidos são usados extensivamente em aplicações de defesa, espaço e geração de gás. São combustíveis relativamente confiáveis que executam muitas funções extremamente bem. No entanto, muitos propulsores de foguetes contêm ingredientes perigosos, como perclorato de amônio (AP). Propulsores de foguete com esses oxidantes podem explodir violentamente quando lentamenteaquecidos 1,2,3. Houve vários acidentes de alto perfil com o aquecimento lento de ingredientes propulsores de foguetes ou propulsores de foguetes que chamaram a atenção para essas questões, como o incêndio e subsequente cozimento de munições no USS Forrestal4 e na explosão PEPCON1. Embora sejam eventos felizmente raros, eles podem ser devastadores por causa das perdas de pessoal e equipamentos que ocorrem. Portanto, há motivação para entender a violência dessas reações e derrubá-las sempre que possível. Uma das principais causas de eventos violentos de cozimento com propelente de foguete é que muitos dos ingredientes se decompõem parcialmente, deixando gases reativas do produto para trás, juntamente com o oxidante com uma área de superfície reativa aprimorada.
Um exemplo específico disso é o sal iônico, perclorato de amônio. A decomposição de baixa temperatura do perclorato de amônio é desenhada e incompleta, deixando produtos intermediários reativos dentro de uma estrutura de propelente com porosidade substancial e superfície disponível para reações subsequentes5,6,7,8,9. Além disso, propulsores de foguetes que contêm nitrato de amônio e compostos explosivos de nitramina podem ter reações muito violentas quando aquecidos lentamente10,11,12. A violência de cozimento lento é uma importante métrica de munição insensível porque muitos foguetes são obrigados por lei a passar por esses testes13. Atualmente, a melhor maneira de determinar se uma formulação de propelente de foguete reage muito violentamente sob condições de aquecimento lento é executar um teste lento de cook-off (SCO) em um motor de foguete em grande escala. Estes testes envolvem pegar um motor de foguete em tamanho real e aquecê-lo lentamente em um forno de convecção descartável.
Os traços de temperatura são fornecidos em vários locais até a reação onde a violência é então avaliada com base em vários indicadores que vão desde danos e fragmentação do recipiente até simples medidores de sobrepressão e sensores de pressão dinâmicas para medir a pressão da explosão. Estes testes em larga escala são muitas vezes caros e não são práticos para investigar pequenas alterações nos ingredientes propelente14. Foram desenvolvidos alguns testes em escala laboratorial que envolvem o aquecimento de propulsores ou explosivos em uma variedade de configurações e a avaliação dos danos causados pelo contêiner após o evento de autoignição. Embora os testes atuais em escala laboratorial prevejam tempo para cozinhar bem e às vezes a temperatura de autoignição15,16,17, eles são menos capazes de prever a violência.
Um teste comumente utilizado é o teste de cozimento de confinamento variável18 que aquece lentamente um cilindro de propelente até que ele inflama. A violência da reação é determinada pela fragmentação da câmara e parafusos durante a reação de autoignição exoérmica. Os testes laboratoriais mais comuns utilizam a condição final da câmara para classificar a violência de reação, e há um grau de subjetividade para a avaliação. Pequenas diferenças na violência de reação são difíceis de determinar. Essa avaliação da violência é qualitativa por natureza, podendo ser difícil avaliar se uma mudança em um ingrediente de formulação alterou a violência do SCO. Além disso, ao contrário de um motor de foguete real, testes laboratoriais atuais não limitam o propulsor dentro de uma caixa. Os gases do produto podem facilmente escapar, e isso é importante porque os gases podem reagir com o propulsor heterogêneo ou ser reativos, como no caso da amônia e do ácido percloriico se o perclorato de amônio for usado.
Um dos melhores esforços na instrumentação de um teste de escala laboratorial envolveu o uso de um sensor de pressão dinâmica em uma bomba de cozinha de pequena escala19. Isso permitiu que diferenças de maior resolução e quantificáveis na violência de reação fossem determinadas para mudanças relativamente pequenas na formulação de propelente de foguetes. No entanto, um problema crítico com este teste é que ele não limitou os propulsores de foguete da mesma forma que um motor de foguete real, e numerosos experimentos de modelagem e subescala mostraram que este é um fator importante para consideração20. Além disso, o propulsor geralmente não tem a mesma quantidade de superfície exposta ou o mesmo volume livre e não está geometricamente confinado da mesma forma que um teste em escala completa. A Análise da Taxa de Combustão de um teste de propelente aquecido lentamente (CRASH-P) foi concebida para melhorar esses testes anteriores. Amostras entre 25 g e 100 g podem ser testadas em condições de confinamento de propelente semelhantes como um teste em escala completa21. Ele também fornece um meio de medir a energia produzida a partir do evento de reação quantitativamente através de medições dinâmicas de sensores de pressão, que é algo que os testes de subescala atuais não fornecem. Os resultados foram encontrados para correlacionar-se bem com testes de SCO em larga escala.
Protocol
Representative Results
Discussion
Uma das partes mais importantes do estabelecimento do teste CRASH-P foi decidir qual métrica do teste seria melhor usada para quantificar a violência de reação das formulações de propelente de foguetes. A velocidade e a quantidade de pressão produzidas a partir da reação é diretamente proporcional à potência produzida pelo propulsor do foguete ao reagir. Também é diretamente análogo ao medidor de sobrepressão de explosão usado em um teste SCO em larga escala. Inicialmente, foi utilizada a taxa de pressurização (dP/dt), mas esses dados foram enganosos porque diferentes formulações contêm diferentes quantidades de combustível e oxidante e produzem diferentes quantidades de gás com composição variada. Para minimizar esse viés a partir dos efeitos da alteração dos ingredientes de formulação, o tempo para 90% de pressão máxima foi usado, e correlacionou-se bem com a violência do teste de SCO em larga escala.
Outra operação de teste que foi considerada importante é o confinamento. Os primeiros suportes amostrais foram feitos com materiais termoplásticos projetados para lidar com as altas temperaturas do teste. Infelizmente, embora essas amostras não derretessem, elas suavizaram e não forneceram o mesmo confinamento que os portadores de amostras metálicas. A violência de reação dessas amostras foi visivelmente menor do que a violência de reação dos portadores de amostras metálicas. Outra descoberta chave sobre o teste foi que algumas formulações de propelente de foguete tinham tamanhos críticos para auto-assinaturas de forma confiável. As formulações aluminizadas tiveram dificuldade em cozinhar e autoigniting se estivessem abaixo de 50 g. Isso foi atribuído à exigência de uma quantidade limiar de perclorato de amônio que era necessária para a reação violenta. Além disso, outra percepção foi que os parafusos termoplásticos não funcionavam. Os parafusos originais do suporte de amostra CRASH-P foram feitos de PEEK, e este teve que ser alterado para aço inoxidável. O confinamento não foi forte o suficiente devido ao material PEEK se expandir termicamente antes da autoignição do propulsor ser alcançada.
Para algumas formulações que inflamam a temperaturas mais altas, principalmente formulações aluminizadas, o uso de uma caixa de suporte de propelente de alumínio é desejável, pois eles não amolecem a temperaturas mais altas. Finalmente, os sensores de pressão dinâmica iCP foram os sensores de pressão originais utilizados. No entanto, após ~10 testes, os resultados ficaram cada vez mais barulhentos, provavelmente por serem expostos a uma temperatura muito alta. Os sensores de pressão dinâmica foram trocados de sensores ICP para sensores de amplificador de carga. No entanto, os sensores do amplificador de carga perdem a carga se deixados ligados por muito tempo. Para minimizar esse efeito, um conversor de carga em linha amp-to-ICP foi usado rio abaixo em uma região de temperatura segura. Como a taxa máxima de amostragem do sensor de pressão é de 500.000 amostras/s, taxas de amostragem mais rápidas do que 50.000 amostras/s poderiam ser registradas. No entanto, não havia necessidade disso, pois os eventos não eram tão rápidos.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer ao Programa Conjunto de Tecnologia de Munições Aprimoradas. O Sr. Anthony DiStasio e Jeffrey Brock foram fundamentais para garantir que este trabalho fosse concluído.
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
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