Development of a Solid, Low-Smoke Rocket Propellant : Smoke Generation Intensity Tests Using a Laser and Photodiode Setup

• Autorzy: Woźniak Przemysław , Kindracki Jan , Wacko Krzysztof , Gołofit Tomasz , Chmielarek Michał , Cieślak Katarzyna , Kozłowska Sylwia , Maksimowski Paweł , Mężyk Łukasz , Kołodziej Maciej , Zdybał Dominik

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0053.8819

Warianty tytułu

PL

Opracowanie stałego rakietowego materiału pędnego o zmniejszonym dymieniu : badania intensywności dymienia z wykorzystaniem układu laser-fotodioda

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The work completed and discussed in this paper was to determine the level of smoke generation intensity in a selection of solid rocket propellants developed to minimise the level of generated smoke. This is an important issue for the application of the developed low-smoke propellant in, for example, the sustainer motor of a rocket missile. Reduced smoke generation levels can help to significantly reduce the feasibility of enemy detecting rocket munition launch sites. The authors of this paper developed a test stand that quantified the smoke generation intensity in rocket propellants. The test stand setup, based on the scatter of a laser beam by smoke, measured the smoke generation intensity, including during the operation of a rocket motor. A rocket micromotor was used along with a test chamber to measure the intensity of the smoke generated. It was located directly behind the motor exhaust and provided three laser- photodiode measurement channels. Tests of the smoke generated during the combustion of black powder and a standard mixture of HTPB and AP at a ratio of 20:80 provided reference baselines for the smoke generation intensity tests on the developed rocket propellants. The authors determined the smoke generation intensity of the propellants based on ADN, HTPB, and GAP with various additives. The results produced made it possible to compare the tested materials and select the most preferable materials as measured by their low smoke generation intensity.

PL

Przeprowadzone prace miały na celu określenie poziomu intensywności dymienia wybranych stałych, rakietowych materiałów pędnych, opracowanych przy założeniu minimalizacji generowanego przez nie dymu. Stanowi to istotne zagadnienie w kontekście zastosowania opracowanego materiału pędnego o zmniejszonym dymieniu, np. w silniku marszowym pocisku rakietowego. Ograniczenie wytwarzania dymu może znacząco zmniejszyć możliwości wykrycia miejsca startu środków bojowych przez przeciwnika. Autorzy artykułu opracowali stanowisko badawcze umożliwiające otrzymanie wskazań intensywności dymienia rakietowych materiałów pędnych. Przygotowany system, oparty na rozpraszaniu wiązki światła laserowego w dymie, umożliwia pomiar intensywności dymienia m.in. w warunkach pracy silnika rakietowego. Zastosowano mikrosilnik rakietowy wraz z komorą badawczą układu pomiaru dymienia, umieszczoną tuż za wylotem z mikrosilnika, wyposażoną w trzy tory pomiarowe laser- fotodioda. Pomiary generowanego dymu podczas spalania prochu czarnego oraz standardowej mieszaniny HTPB z AP w stosunku 20-80 stanowiły poziomy odniesienia do porównania intensywności dymienia opracowanych materiałów pędnych. Autorzy określili intensywność dymienia materiałów pędnych opartych na zastosowaniu ADN, HTPB lub GAP oraz różnych dodatków. Otrzymane rezultaty pozwalają na porównywanie przebadanych materiałów oraz wyselekcjonowanie najlepszych pod kątem niskiej intensywności dymienia.

Słowa kluczowe

EN

rocket motor; solid propellant; combustion; smoke generating; laser

PL

silnik rakietowy; stały materiał pędny; spalanie; dymienie; laser

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Problemy Mechatroniki : uzbrojenie, lotnictwo, inżynieria bezpieczeństwa
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 14, Nr 3 (53)
• Strony: 41--58
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., fot., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Woźniak Przemysław

• Warsaw University of Technology, Faculty of Power and Aeronautical Engineering, 21/25 Nowowiejska Str., 00-665 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1952-0343

autor

Kindracki Jan

• Warsaw University of Technology, Faculty of Power and Aeronautical Engineering, 21/25 Nowowiejska Str., 00-665 Warsaw, Poland

autor

Wacko Krzysztof

• Warsaw University of Technology, Faculty of Power and Aeronautical Engineering, 21/25 Nowowiejska Str., 00-665 Warsaw, Poland

autor

Gołofit Tomasz

• Warsaw University of Technology, Faculty of Chemistry, 3 Noakowskiego Str, 00-664 Warsaw, Poland

autor

Chmielarek Michał

• Warsaw University of Technology, Faculty of Chemistry, 3 Noakowskiego Str, 00-664 Warsaw, Poland

autor

Cieślak Katarzyna

• Warsaw University of Technology, Faculty of Chemistry, 3 Noakowskiego Str, 00-664 Warsaw, Poland

autor

Kozłowska Sylwia

• Warsaw University of Technology, Faculty of Power and Aeronautical Engineering, 21/25 Nowowiejska Str., 00-665 Warsaw, Poland

autor

Maksimowski Paweł

• Warsaw University of Technology, Faculty of Chemistry, 3 Noakowskiego Str, 00-664 Warsaw, Poland

autor

Mężyk Łukasz

• Warsaw University of Technology, Faculty of Power and Aeronautical Engineering, 21/25 Nowowiejska Str., 00-665 Warsaw, Poland

autor

Kołodziej Maciej

• Warsaw University of Technology, Faculty of Power and Aeronautical Engineering, 21/25 Nowowiejska Str., 00-665 Warsaw, Poland

autor

Zdybał Dominik

• Warsaw University of Technology, Faculty of Power and Aeronautical Engineering, 21/25 Nowowiejska Str., 00-665 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] D’Andrea, Bruno, Francesca Lillo, Alain Faure, and Christian Perut. 2000. „A new generation of solid propellants for space launchers”. Acta Astronautica 47 (2-9): 103-112.
• [2] da Silva, Gilson, Simone Carvalho Rufino, and Koshun. 2013. „Green Propellants: Oxidizers”. Journal of Aerospace Technology and Management 5 (2): 139-144.
• [3] Terry, C. Brandon, Travis R. Sippel, Mark A. Pfeil, I. Emre Gunduz, and Steven F. Son. 2016. „Removing Hydrochloric Acid Exhaust Products from High Performance Solid Rocket Propellant Using Aluminum-Lithium Alloy”. Journal of Hazardous Materials 317: 259-266.
• [4] Ali M. Abd elall, and Guo Lin. 2019. „Novel method for measuring primary and secondary smoke density of reduced HCl exhaust composite solid rocket propellant (CSRP) based on nitramine energetic material”. Sci. Tech. Energetic Materials 80 (4): 121-129.
• [5] Książczak, Andrzej, Paweł Maksimowski, Tomasz Gołofit. 2005. „Małosmugowe i ekologiczne paliwa rakietowe”. Problemy Techniki Uzbrojenia 34 (95): 133-141.
• [6] Liu, Zhu, Shipeng Li, Mengying Liu, Dian Guan, Xin Sui, and Ningfei Wang. 2017. „Experimental investigation of the combustion products in an aluminised solid propellant”. Acta Astronautica 133 (January): 136-144.
• [7] DeLuca, T. Luigi. 2018. „Overview of Al-based nanoenergetic ingredients for solid rocket propulsion”. Defence Technology 14 (5): 357-365.
• [8] Bogusz, Rafał, Paulina Magnuszewska, Bogdan Florczak, Andrzej Maranda, and Katarzyna Drożdżewska. 2016. „Studies of the influence of nano iron(III) oxide on selected properties of solid heterogeneous propellants based on HTPB”. Central European Journal of Energetic Materials 13 (4): 1051-1063.
• [9] Sangtyani, Rekha, Himadri S. Saha, Amit Kumar, Arvind Kumar, Manoj Gupta, and Prakash V. Chavan. 2019. „An alternative approach to improve burning rate characteristics and processing parameters of composite propellant”. Combustion and Flame 209: 357-362.
• [10] Yaman, Hayri, Veli Çelik, and Ercan Degirmenci. 2014. „Experimental investigation of the factors affecting the burning rate of solid rocket propellants”. Fuel 115: 794-803.
• [11] AGARD Advisory Report 350. 1997. Structural Assessment of Solid Propellant Grains.
• [12] Ishaq, Haris, Osamah Siddiqui, Ghassan Chehade, and Ibrahim Dincer. 2020. „A solar and wind driven energy system for hydrogen and urea production with CO2 capturing”. International Journal of Hydrogen Energy 46 (6): 4749-4760.
• [13] Menke, Klaus, and Siegfried Eisele. 1997. „Rocket propellants with reduced smoke and high burning rates”. Propellants, Explosives, Pyrotechnics 22 (3): 112-119.
• [14] Bogusz, Rafał, Paulina Magnuszewska, Bogdan Florczak. 2017. „Badanie wpływu materiałów wybuchowych na wybrane właściwości heterogenicznego stałego paliwa rakietowego o zmniejszonej zawartości HCL w produktach spalania”. Problemy Techniki Uzbrojenia 46 (143): 29-45.
• [15] Hartman, K.O., and Scott Morrow. 2003. Solid Propellants. In Encyclopedia of Physical Science and Technology, pp. 277-293. Elsevier.
• [16] Oommen, C., and S.R. Jain. 1999. „Ammonium nitrate: A promising rocket propellant oxidizer”. Journal of Hazardous Materials 67 (3): 253-281.
• [17] Jos, Jisna, and Suresh Mathew. 2017. „Ammonium Nitrate as an Eco-Friendly Oxidizer for Composite Solid Propellants: Promises and Challenges”. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences 42 (6): 470-498.
• [18] Nagamachi, Y. Marcio, José Irineu S. Oliveira, Aparecida M. Kawamoto, and Rita de Cássia L. Dutra. 2009 „ADN - The new oxidizer around the corner for an environmentally friendly smokeless propellant”. Journal of Aerospace Technology and Management 1 (2): 153-160.
• [19] Cerri, Sara, Manfred Bohn, Klaus Menke, and Luciano Galfetti. 2014. „Characterization of ADN/GAP-based and ADN/desmophen®-based propellant formulations and comparison with AP analogues”. Propellants, Explosives, Pyrotechnics 39 (2): 192-204.
• [20] Gill, W., A.A. Cruz-Cabrera, A.B. Donaldson, J. Lim, Y. Sivathanu, E. Bystrom, A. Haug, L. Sharp, and D.M. Surmick. 2014. „Combustion diagnosis for analysis of solid propellant rocket abort hazards: Role of spectroscopy”. Journal of Physics: Conference Series 548: 012055-1-10.
• [21] Toscano, Angelica Maria, Marco Rocco Lato, Donato Fontanarosa, and Maria Grazia De Giorgi. 2022. „Optical Diagnostics for Solid Rocket Plumes Characterization: A Review”. Energies 15 (4) 1470-1-32.
• [22] Vilmart, Gautier, Nelly Dorval, Robin Devillers, Yves Fabignon, Brigitte Attal-Trétout, and Alexandre Bresson. 2019. „Imaging Aluminum Particles in Solid-Propellant Flames Using 5 kHz LIF of Al Atoms”. Materials12 (15): 2421-1-19.
• [23] Lillo, F., Bruno D’Andrea, G. Marcelli, and Andrea Brotzu. 2002. Burning rate assesment of minimum smoke solid propellant. NATO Report RTO-MP-091.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).