Method Article
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.
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.
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.
1. Пробоподготовка топлива
2. Подготовка камеры CRASH-P
3. Установка образцов топлива
4. Настройка и проверка контрольно-измерительных приборов
5. Сбор данных и очистка тестов
6. Анализ данных CRASH-P
ПРИМЕЧАНИЕ: Анализ данных состоит из фактических температурных следов и данных о срабатывании динамического давления. Система сбора данных отмечает местоположение триггера, и пользователь может видеть время, когда это произошло. Триггер соответствует динамическому значению давления, которое на 5% выше базового уровня.
Чтобы помочь читателю визуализировать, как подсистемы теста CRASH-P взаимодействуют друг с другом, экспериментальная схема показана на рисунке 4. Термопары внутри камеры CRASH-P управляют подачей данных в систему сбора данных через термопарный усилитель. Регулятор температуры управляет электрическим реле, которое включает и выключает электрические нагреватели. Это обеспечивает достижение правильного профиля нагрева для образца ракетного топлива. При самоподгонках образца система сбора данных инициирует сбор высокоскоростных динамических данных о давлении при 50 000 образцов/с. Затем тест заканчивается, данные сохраняются, а система контроля температуры отключается. По про истечении не менее 12 ч камера CRASH-P должна быть при комнатной температуре, и любые газы продукта могут быть истощены.
Типичные репрезентативные результаты приведены на рисунке 5. Система сбора данных обеспечивает температурные следы для внутреннего воздуха камеры и температуры внутреннего топлива. Незначительные экзотермические реакции до воспламенения часто измеряют вместе с основной экзотермической реакцией. Обычно экзотермическая реакция недостаточно бурна, чтобы сломать бусину термопары, поэтому все событие может быть захвачено. Кроме того, показания динамического давления для реакции регистрируются для передних, задних и задних динамических манометров. Как и большинство лабораторных мероприятий по приготовлению пищи, состояние контейнера для образца после реакции может быть оценено на наличие повреждений(рисунок 5C). Наконец, рисунок 5D показывает, что может быть довольно большая степень измеренных вариаций в реакции насилия различных образцов топлива, что позволяет количественно оценить и сравнить насилие для различных реакций. В целом, более быстрые реакции давления имели больший разброс или шум в данных о давлении(рисунок 5D),что согласуется с большим колебанием камеры из-за более сильной реакции.
Рисунок 1:Подготовка и герметизация образцов CRASH-P. (A) Ингредиенты ракетного топлива смешиваются в планетарном смесителе. (B)Ракетное топливо отливается в держатель образца с политетрафторэтиленовой оправкой. (C)Образцы топлива обрезаются, и уплотнительное кольцо помещается в контейнер для целей герметизации. (D)Контейнер для образцов герметизирован и закреплен болтами. Конфайнмент образцов такой же, как и у реальных ракетных двигателей. Аббревиатура: CRASH-P = Анализ скорости сгорания медленно нагреваемого топлива. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2:Загрузка образца и подготовка теста CRASH-P. Размещение образцов имеет решающее значение. (A)Образцы помещаются на доску и централизованно нагреваются естественной конвекцией во время испытаний. (B) Образец закрепивается болтами и удерживается на месте на доске. (C)Термопары размещаются на доске и внутри образца топлива для контроля температуры и диагностических целей. (D)Камера CRASH-P герметична, а ленточные нагреватели подключены к источнику питания 220 В переменного тока, управляемому регулятором температуры. Аббревиатура: CRASH-P = Анализ скорости сгорания медленно нагреваемого топлива. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3:Контрольно-измерительные приборы и сбор данных для испытания CRASH-P. (A) Динамический кондиционер сигнала давления, (B) усилитель термопары, (C) контроль испытательного нагрева и (D) сбор данных во время испытания. . Аббревиатура: CRASH-P = Анализ скорости сгорания медленно нагреваемого топлива. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4:Экспериментальная схема теста CRASH-P. Система контроля температуры контролирует скорость нагрева. Динамические датчики давления количественно оценивают реакцию события самосвинжения, а система сбора данных записывает все эти тестовые данные для эксперимента. CRASH-P = Анализ скорости сгорания медленно нагреваемого топлива. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5:Репрезентативные данные теста для тестового запуска CRASH-P. (A) Температурные следы во время теста. (B)Задние, задние и передние динамические показания давления. (C)Контейнер для образцов CRASH-P после испытания. (D)Сопоставление показаний динамического давления фронта для шести различных составов ракетного топлива. CRASH-P = Анализ скорости сгорания медленно нагреваемого топлива. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
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.
Авторам нечего раскрывать.
Авторы хотели бы поблагодарить Совместную программу усовершенствованных технологий боеприпасов. Г-н Энтони ДиСтазио и Джеффри Брок сыграли важную роль в обеспечении завершения этой работы.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены