Roket İticilerinin Laboratuvar Ölçeği Yavaş Pişirme Testi: Yavaş Isıtılmış İtici (CRASH-P) Testinin Yanma Hızı Analizi
Summary
Yavaş Isıtılmış İtici (CRASH-P) testinin Yanma Hızı Analizi adı verilen katı roket iticileri için laboratuvar ölçeğinde yavaş pişirme testi için bir protokol sunuyoruz. Sınırlı roket iticileri otomatik düzenlemeye kadar yavaşça ısıtılır ve hem pişirme sıcaklığı hem de reaksiyonun şiddeti dinamik basınç sensörleriyle ölçülür.
Abstract
Katı roket iticileri, askeri ve uzay ajansları tarafından tahrik uygulamaları için yaygın olarak kullanılmaktadır. Son derece etkili olmalarına rağmen, belirli koşullar altında personel ve ekipman için tehlikeli olabilirler, sınırlı koşullarda yavaş ısıtma belirli bir tehlikedir. Bu makalede, kurulumu daha kolay olan ve roket itici bileşenlerinin tarandığı daha uygun fiyatlı bir laboratuvar testi açıklanmaktadır. Roket iticileri, standart roket motorlarıyla aynı hapsetmeye (konteynerdeki toplam hacme itici hacim) sahip olacak şekilde tasarlanmış numune tutuculara dökülür ve iticinin kolayca havalandırılmamasını sağlar. Reaksiyon şiddeti, otoigniasyondan sonra maksimum basıncın% 90’ına ulaşmak için gereken süreye göre ölçülür, bu da tam ölçekli bir testte şiddeti ölçmek için kullanılan aşırı basınç göstergelerini patlatmaya benzer. Reaksiyondan üretilen hız ve basınç ile reaksiyon sırasında roket iticisinin ürettiği güç arasında pozitif bir korelasyon gözlendi.
Introduction
Katı roket iticileri savunma, uzay ve gaz üreten uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. Birçok işlevi son derece iyi yerine getiren nispeten güvenilir yakıtlardır. Bununla birlikte, birçok roket iticisi amonyum perklorat (AP) gibi tehlikeli maddeler içerir. Bu oksitleyicilere sahip roket iticileri yavaşça ısıtıldığında şiddetli bir şekilde patlayabilir1,2,3. USS Forrestal4 ve PEPCON patlaması1’dekimühimmatların ateş ve ardından pişirilmesi gibi bu konulara dikkat çeken roket itici veya roket itici bileşenlerin yavaş ısınmasıyla birkaç yüksek profilli kaza olmuştur. Bunlar çok nadir olaylar olsa da, meydana gelen personel ve ekipman kayıpları nedeniyle yıkıcı olabilir. Bu nedenle, bu tepkilerin şiddetini anlamak ve mümkün olduğunda onları aşağı çekmek için motivasyon vardır. Roket itici ile şiddetli pişirme olaylarının ana nedenlerinden biri, bileşenlerin çoğunun kısmen ayrışarak, gelişmiş reaktif yüzey alanına sahip oksitleyici ile birlikte reaktif ürün gazlarını geride bırakmasıdır.
Bunun özel bir örneği iyonik tuz, amonyum perklorattır. Amonyum perkloratın düşük sıcaklık ayrışması, reaktif ara ürünleri önemli gözeneklilik ve yüzey alanı ile itici bir çerçevede bırakarak, sonraki reaksiyonlar içinkullanılabilir 5, 6,7,8,9. Ek olarak, amonyum nitrat ve patlayıcı nitramin bileşikleri içeren roket iticileri yavaşça ısıtıldığında çok şiddetli reaksiyonlara sahip olabilir10,11,12. Yavaş pişirme şiddeti önemli bir duyarsız mühimmat ölçümüdür, çünkü birçok roketin bu testleri geçmesi kanunen gereklidir13. Şu anda, bir roket itici formülasyonun yavaş ısıtma koşullarında çok şiddetli tepki verip vermediğini belirlemenin en iyi yolu, tam ölçekli bir roket motorunda yavaş bir pişirme (SCO) testi yapmaktır. Bu testler, tam boyutlu bir roket motoru almayı ve tek kullanımlık bir konveksiyon fırınında yavaşça ısıtmayı içerir.
Sıcaklık izleri, şiddetin daha sonra konteyner hasarı ve parçalanmasından basit aşırı basınç göstergelerine ve patlama basıncını ölçmek için dinamik basınç sensörlerine kadar çeşitli göstergelere dayanarak değerlendirildiği reaksiyona kadar birden fazla yerde sağlanır. Bu tam ölçekli testler genellikle pahalıdır ve itici bileşenlerdeki küçük değişiklikleri araştırmak için pratik değildir14. Çeşitli konfigürasyonlarda itici veya patlayıcıların ısıtılmasını ve otomatik ateşleme olayından sonra konteyner hasarını değerlendirmeyi içeren birkaç laboratuvar ölçeğinde test geliştirilmiştir. Mevcut laboratuvar ölçeğindeki testler iyi pişirme süresini ve bazen otoigniasyon sıcaklığını15 , 16,17, tahmin etmelerine rağmen, şiddeti daha az tahmin edebiliyorlar.
Yaygın olarak kullanılan bir test, bir itici silindiri tutuşana kadar yavaşça ısıtan değişken hapsetme pişirme testi18’dir. Reaksiyonun şiddeti, ekzotermik otoignisiyon reaksiyonu sırasında odanın ve cıvataların parçalanması ile belirlenir. En yaygın laboratuvar testleri, reaksiyon şiddetini sıralamak için odanın son koşulunı kullanır ve değerlendirmeye bir dereceye kadar öznellik vardır. Reaksiyon şiddetinde küçük farklılıkları belirlemek zordur. Bu şiddet değerlendirmesi doğası gereği nitelikseldir ve bir formülasyon bileşenindeki bir değişikliğin ŞİÖ şiddetini değiştirip değiştirmediğini değerlendirmek zor olabilir. Ayrıca, gerçek bir roket motorunu aksine, mevcut laboratuvar testleri iticiyi bir kasanın içine hapsetmez. Ürün gazları kolayca kaçabilir ve bu önemlidir, çünkü gazlar itici madde ile heterojen olarak reaksiyona girebilir veya amonyum perklorat kullanılırsa amonyak ve perklorik asit durumunda olduğu gibi kendileri reaktif olabilir.
Laboratuvar ölçeği testini araçlamadaki en iyi çabalardan biri, küçük ölçekli bir pişirme bombası19’dadinamik bir basınç sensörünün kullanılmasını içeriyordu. Bu, roket itici formülasyonundaki nispeten küçük değişiklikler için daha yüksek çözünürlük, reaksiyon şiddetinde ölçülebilir farklılıklar belirlenmesine izin sağladı. Bununla birlikte, bu testle ilgili kritik bir sorun, roket iticilerini gerçek bir roket motoruyla aynı şekilde sınırlamamasıdır ve çok sayıda modelleme ve alt ölçek deneyleri bunun dikkate alınması için önemli bir faktör olduğunu göstermiştir20. Ek olarak, itici genellikle aynı miktarda açık yüzey alanına veya aynı serbest hacme sahip değildir ve geometrik olarak tam ölçekli bir testle aynı şekilde sınırlı değildir. Yavaş Isıtılmış İtici (CRASH-P) testinin Yanma Hızı Analizi, bu önceki testlerde iyileşmek için tasarlanmıştır. 25 g ile 100 g arasındaki numuneler, tam ölçekli bir test21olarak benzer itici madde hapsetme koşulları altında test edilebilir. Ayrıca, reaksiyon olayından üretilen gücü, mevcut alt ölçek testlerinin sağlamadığı bir şey olan dinamik basınç sensörü ölçümleri aracılığıyla nicel olarak ölçmenin bir yolu sağlar. Sonuçların tam ölçekli SCO testleriyle iyi ilişkili olduğu bulunmuştur.
Protocol
Representative Results
Discussion
CRASH-P testini kurmanın en önemli parçalarından biri, roket itici formülasyonlarının reaksiyon şiddetini ölçmek için testten hangi ölçümün en iyi şekilde kullanılacağına karar vermekti. Reaksiyondan üretilen basınç hızı ve miktarı, tepki verirken roket iticisinin ürettiği güçle doğru orantılıdır. Ayrıca, tam ölçekli bir SCO testinde kullanılan patlama aşırı basınç göstergesine doğrudan benzer. Başlangıçta basınç oranı (dP/dt) kullanıldı, ancak farklı formülasyonlar farklı miktarlarda yakıt ve oksitleyici içerdiğinden ve farklı bileşime sahip farklı miktarlarda gaz ürettiğinden bu veriler yanıltıcıydı. Formülasyon bileşenlerini değiştirmenin etkilerinden kaynaklanan bu önyargıyı en aza indirmek için, bunun yerine% 90 tepe basıncına kadar zaman kullanıldı ve tam ölçekli SCO test şiddeti ile iyi bir ilişki içindeydi.
Önemli olduğu tespit edilen bir diğer test işlemi de hapsetmedir. Erken numune tutucular, testin yüksek sıcaklıklarını işlemek için tasarlanmış termoplastik malzemelerle yapılmıştır. Ne yazık ki, bu numuneler erimezken, yumuşadı ve metal numune tutucularla aynı hapsetme sağlamadı. Bu örnekler için reaksiyon şiddeti, metal numune sahipleri için reaksiyon şiddetinden belirgin şekilde daha azdı. Testle ilgili bir diğer önemli bulgu, bazı roket itici formülasyonlarının güvenilir bir şekilde otomatikleştirmek için kritik boyutlara sahip olmasıydı. Alüminize formülasyonlar 50 g’ın altındaysa pişirme ve otoigniasyonda zorluk çekti. Bu, şiddetli reaksiyon için gerekli olan bir eşik amonyum perklorat miktarının gerekliliğine atfedildi. Buna ek olarak, başka bir içgörü termoplastik cıvataların çalışmadığıydı. Orijinal CRASH-P numune tutucu cıvataları PEEK’ten yapılmıştır ve bunun paslanmaz çelik olarak değiştirilmesi gerekiyordu. Peek malzemesinin itici otoignasyon sağlanmadan önce termal olarak genişlemesi nedeniyle hapsetme yeterince güçlü değildi.
Daha yüksek sıcaklıklarda tutuşan bazı formülasyonlar için, özellikle alüminize formülasyonlar, daha yüksek sıcaklıklarda yumuşamadıkları için alüminyum itici tutucu kılıf kullanılması arzu edilir. Son olarak, ICP dinamik basınç sensörleri kullanılan orijinal basınç sensörleriydi. Bununla birlikte, ~10 testten sonra, sonuçlar muhtemelen çok yüksek bir sıcaklığa maruz kalmaktan giderek daha gürültülü hale geliyor. Dinamik basınç sensörleri ICP sensörlerinden amplifikatör sensörlerini şarj etmek için anahtarlandı. Ancak, şarj amplifikatör sensörleri çok uzun süre açık kalırsa şarj kaybeder. Bu etkiyi en aza indirmek için, güvenli bir sıcaklık bölgesinde aşağı akışta bir hat içi şarj amp-ICP dönüştürücü kullanıldı. Basınç sensörünün maksimum örnekleme oranı 500.000 numune/s olduğundan, 50.000 numune/sn’den daha hızlı örnekleme oranları kaydedilebilir. Ancak, olaylar o kadar hızlı olmadığı için buna gerek yoktu.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Ortak Gelişmiş Mühimmat Teknolojisi Programı’na teşekkür eder. Bay Anthony DiStasio ve Jeffrey Brock bu çalışmanın tamamlanmasını sağlamada etkili oldular.
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).
