Лабораторные испытания ракетного топлива в масштабе медленного приготовления: анализ скорости горения медленно нагретого топлива (CRASH-P)
Summary
Мы представляем протокол для лабораторного испытания медленного приготовления твердотопливного ракетного топлива под названием «Анализ скорости сгорания медленно нагретого топлива» (CRASH-P). Замкнутое ракетное топливо медленно нагревается до самоподготовки, и как температура приготовления, так и резкость реакции измеряются с помощью динамических датчиков давления.
Abstract
Твердотопливое ракетное топливо широко используется для применения в силовых установках военными и космическими агентствами. Несмотря на высокую эффективность, они могут быть опасны для персонала и оборудования при определенных условиях, причем медленный нагрев в ограниченных условиях представляет особую опасность. В этой статье описывается более доступный лабораторный тест, который легче настроить и который был разработан для скрининга ингредиентов ракетного топлива. Ракетное топливо отливается в держатели образцов, которые были спроектированы так, чтобы иметь такое же ограничение, как и стандартные ракетные двигатели (объем топлива к общему объему в контейнере) и гарантируют, что топливо не будет легко вентилируемым. Реакция насилия количественно определяется временем, которое требуется для достижения 90% максимального давления после самоосвождения, что аналогично датчикам избыточного давления взрыва, используемым для измерения насилия в полномасштабном тесте. Наблюдалась положительная корреляция между скоростью и давлением, создаваемыми реакцией, и мощностью, производимой ракетным топливом во время реакции.
Introduction
Твердотопливое ракетное топливо широко используется в оборонных, космических и газогенерирующих приложениях. Они являются относительно надежным топливом, которое выполняет многие функции чрезвычайно хорошо. Однако многие ракетные топлива содержат опасные ингредиенты, такие как перхлолат аммония (AP). Ракетное топливо с этими окислителями может сильно взрываться при медленном нагревании1,2,3. Было несколько громких аварий с медленным нагревом реактивного топлива или ингредиентов ракетного топлива, которые привлекли внимание к этим вопросам, таким как пожар и последующее приготовление боеприпасов на USS Forrestal4 и взрыв PEPCON1. Хотя это, к счастью, редкие события, они могут быть разрушительными из-за потерь персонала и оборудования, которые происходят. Поэтому есть мотивация понять жестокость этих реакций и снизить их, когда это возможно. Одной из основных причин насильственного приготовления с ракетным топливом является то, что многие ингредиенты частично разлагаются, оставляя после себя газы реакционноспособных продуктов вместе с окислителем с увеличенной площадью реакционноспособной поверхности.
Одним из конкретных примеров этого является ионная соль, перхлолат аммония. Низкотемпературное разложение перхлората аммония вытягивается и неполная, оставляя реакционноспособные промежуточные продукты в метательной раме со значительной пористостью и площадью поверхности, доступными для последующих реакций5,6,7,8,9. Кроме того, реактивное топливо, содержащее нитрат аммония и взрывчатые соединения нитрамина, может иметь очень бурные реакции при медленном нагревании10,11,12. Медленное приготовление насилия является важным показателем нечувствительных боеприпасов, потому что многие ракеты по закону обязаны пройти эти испытания13. В настоящее время лучший способ определить, реагирует ли состав ракетного топлива слишком бурно в условиях медленного нагрева, – это провести испытание медленного приготовления (SCO) на полномасштабном ракетном двигателе. Эти испытания включают в себя взятие полноразмерного ракетного двигателя и медленное нагревание его в одноразовой конвекционной печи.
Температурные следы предоставляются в нескольких местах вплоть до реакции, где затем оценивается насилие на основе различных показателей, начиная от повреждения и фрагментации контейнера до простых датчиков избыточного давления и динамических датчиков давления для измерения давления взрыва. Эти полномасштабные испытания часто являются дорогостоящими и непрактичными для изучения незначительных изменений в ингредиентах топлива14. Было разработано несколько лабораторных испытаний, которые включают нагревание топлива или взрывчатых веществ в различных конфигурациях и оценку повреждений контейнеров после события автоприведения. Хотя современные лабораторные тесты предсказывают время для хорошего приготовления, а иногда и температуру самоусиливания15,16,17,они менее способны предсказать насилие.
Одним из широко используемых испытаний является испытание18 с переменным конфайнментом, которое медленно нагревает цилиндр с топливом до тех пор, пока он не воспламенится. Буйность реакции определяется фрагментацией камеры и болтов во время экзотермической реакции самоусиливания. Наиболее распространенные лабораторные тесты используют конечное условие камеры для ранжирования реакции насилия, и существует определенная степень субъективности оценки. Небольшие различия в реакции насилия трудно определить. Эта оценка насилия является качественной по своей природе, и может быть трудно оценить, изменило ли изменение компонента формулировки насилие ШОС. Кроме того, в отличие от реального ракетного двигателя, текущие лабораторные испытания не ограничивают топливо внутри корпуса. Продуктовые газы могут легко выходить, и это важно, потому что газы могут реагировать с метательным топливом неоднородно или быть реактивными сами по себе, как в случае аммиака и хлорной кислоты, если используется перхлолат аммония.
Одним из лучших усилий в приборном испытании в лабораторных масштабах было использование динамического датчика давления на маломасштабной бомбе19. Это позволило определить более высокие разрешения, поддающиеся количественной оценке различия в реакции насилия для относительно незначительных изменений в составе ракетного топлива. Однако критическая проблема с этим испытанием заключается в том, что он не ограничивал ракетное топливо таким же образом, как фактический ракетный двигатель, и многочисленные эксперименты по моделированию и подмасштабу показали, что это важный фактор для рассмотрения20. Кроме того, топливо обычно не имеет такой же площади открытой поверхности или такого же свободного объема и не ограничено геометрически таким же образом, как полномасштабное испытание. Анализ скорости сгорания теста на медленно нагретое топливо (CRASH-P) был задуман для улучшения этих предыдущих испытаний. Образцы от 25 г до 100 г могут быть испытаны в условиях удержания топлива, аналогичных условиям полномасштабного испытания21. Он также предоставляет средства количественного измерения мощности, полученной в результате события реакции, с помощью динамических измерений датчика давления, чего не обеспечивают современные подмасштабные испытания. Было обнаружено, что результаты хорошо коррелируют с полномасштабными тестами ШОС.
Protocol
Representative Results
Discussion
Одной из наиболее важных частей создания теста CRASH-P было решение о том, какую метрику испытания лучше всего использовать для количественной оценки силы реакции составов ракетного топлива. Скорость и величина давления, создаваемого реакцией, прямо пропорциональны мощности, вырабатываемой реактивным топливом при реакции. Он также непосредственно аналогичен датчику избыточного давления взрыва, используемому в полномасштабном испытании SCO. Первоначально использовалась скорость герметизации (dP/dt), но эти данные вводили в заблуждение, поскольку различные составы содержат разное количество топлива и окислителя и производят разное количество газа с различным составом. Чтобы свести к минимуму это смещение от последствий изменения ингредиентов состава, вместо этого было использовано время до 90% пикового давления, и оно хорошо коррелировало с полномасштабным тестовым насилием SCO.
Еще одной операцией по тестированию, которая была признана важной, является лишение свободы. Ранние держатели образцов были изготовлены из термопластичных материалов, предназначенных для обработки высоких температур теста. К сожалению, хотя эти образцы не плавились, они размягчились и не обеспечивали такого же удержания, как металлические держатели образцов. Реакция насилия для этих образцов была заметно меньше, чем реакция насилия для держателей металлических образцов. Еще один ключевой вывод об испытании заключался в том, что некоторые составы ракетного топлива имели критические размеры для надежного автоигнита. Алюминированные составы испытывали трудности с приготовлением и автофортинированием, если они были менее 50 г. Это было связано с требованием порогового количества перхлората аммония, которое требовалось для насильственной реакции. Кроме того, еще одно понимание заключалось в том, что термопластичные болты не работают. Оригинальные болты держателя образца CRASH-P были изготовлены из PEEK, и их пришлось заменить на нержавеющую сталь. Конфайнмент был недостаточно прочным из-за того, что материал PEEK термически расширялся до того, как было достигнуто самоогнивание топлива.
Для некоторых составов, которые воспламеняются при более высоких температурах, в основном алюминированных составов, желательно использовать алюминиевый корпус держателя пропеллента, поскольку они не размягкаются при более высоких температурах. Наконец, динамические датчики давления ICP были оригинальными датчиками давления. Однако после ~ 10 тестов результаты становились все более шумными, вероятно, из-за воздействия слишком высокой температуры. Динамические датчики давления были переключенные с датчиков ICP на датчики усилителя заряда. Однако датчики усилителя заряда теряют заряд, если их оставить включенной слишком долго. Чтобы свести к минимуму этот эффект, в потоке использовался встроенный преобразователь заряда от усилителя к ICP при безопасной температурной области. Поскольку максимальная частота дискретизации датчика давления составляет 500 000 образцов/с, можно регистрировать частоту дискретизации быстрее, чем 50 000 проб/с. Однако в этом не было необходимости, так как события были не такими быстрыми.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить Совместную программу усовершенствованных технологий боеприпасов. Г-н Энтони ДиСтазио и Джеффри Брок сыграли важную роль в обеспечении завершения этой работы.
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).
