FI107297B - Menetelmä ajoaineen palonopeuden mittaamiseksi - Google Patents

Description

1 107297

Menetelmä ajoaineen palonopeuden mittaamiseksi

Erotettu jakamalla hakemuksesta 970272 23.1.1997, Osa 1/4.

Tämä keksintö koskee menetelmää kiinteiden tai nestemäisten raketti- tai muiden ajoaineiden palonopeuden mittaamiseksi sekä ko. palonopeuden paineriippuvuuden määrittämiseksi.

Aikaisemmin rakettien ja muiden ajoaineiden palonopeuksia on mitattu tekemällä ajoaineesta sauva, joka poltetaan paineastiassa vakiopaineessa, yleensä muutaman kymmenen barin pai-neessa.Useita polttoja suoritetaan erilaisissa vakiopaineissa ja mitataan kussakin paineessa erikseen ajoaineen palonopeus. Tulokset sovitetaan sopivaan paloyhtälöön, kuten Vieillen yhtälöön r = ap + b tai rakettiajoaineiden kanssa yleisemmin käytettyyn eksponenttimuotoiseen yhtälöön r = apn (a = kokeellinen vakio, b = kokeellinen vakio, n = paine-eksponentti; kokeellinen suure, r = palonopeus, p = paine). Yhtälön avulla voidaan laskea oikeanlainen panos aseelle tai raketin ^ kammiopaineen ja suuttimen läpimitan keskinäinen riippuvuus.

Ajoainesauvan palonopeutta on aikaisemmin niitattu monenlaisin eri tavoin. Vanhin menetelmä (B. L. Crawford, C. Hugett, E Daniels and R. E. Wilfong, Anal. Chem. 19,630 (1947)) on käyttää mittalankoja, jotka palavat poikki sitä mukaa kun palo etenee mittalangan kohdalle. Poikkipala-20 miset ilmaistaan sähköisesti ja lankojen välimatkasta ja poikkipalamisen väliajoista lasketaan palonopeus. Menetelmää käytetään edelleenkin ja sen rinnalle on tullut akustinen emissio, jossa kuunnellaan mikrofonilla ajoainesauvan palamista ja otetaan aikaa siitä, kuinka kauan palamis-.:, ääntä kuuluu (L. H. Caveny, A. J. Saber and M. Summerfield, J. Spacecraft Rockets 14,433 f:": 25 (1977)).

• H I

‘: ' Myös muita askelittaisia menetelmiä tunnetaan, kuten ionisaatioanturit; palorintama johtaa säh-«»« ;: : köä ja mitataan sähkönjohtavuutta, kun palorintama ohittaa anturin (L. A. Dickenson and R. E.

• · · : * Reichenbach, in Proceedings of the 8th Symposium on Combustion (1962)).

30 ... Ajoaineen palonopeutta on mitattu myös jatkuvana ilmiönä. Video- tai elokuvakameralla voidaan » · 11 kuvata palorintaman etenemistä paineastiaan tehdyn ikkunan kautta (T. L. Boggs, Experimental

Diagnostics in Combustion (American Institute of Aeronautics and Astronautics, Washington • ·

»*. * DC, 1978)). Ultraäänilähettimellä voidaan kaikuluodata ajosauvan pituutta (J. C. Traineau and R

·’...· Kuentzmann, J. Propulsion Power 2,3 (1986)), myös mikroaaltotutkaa on käytetty ajoainesauvan 35 j*·.. pituuden mittaamiseen (L. D. Strand, A. L. Schultz and W. W. Reedy, J. Spacecraft Rockets 3,75 : * ’ ‘; (1974)). Punnitsemalla ajoainesauvaa saadaan myös laskettua sauvan pituus ajan funktiona ja siten palonopeus (V. S. niukin, Fizika Gorenya i Vzryva, 11,498 (1975)). Havaitsemalla ajoaineen aikaansaama valo tai muu säteily matkan funktiona, saadaan palonopeus mitattua (J. S. Lii- 2 107297 ley, Master’s Thesis, Purdue University, December (1981) sekä J. R. Osbom, R. Je. Burick a tid R.

F. Panella, Rev. Sci. Instrum. 37,86 (1966)). Lisäksi ajoaineen palamista on mitattu jatkuvalla kolmiomittauksella, jossa mitataan ajoaineen palavasta pinnasta heijastuvan lasersäteen kulmat (R.

A. Frederick, Jr., Rev. Sci. Instrum. 67 (8) (1996)).

5 Yllä mainituille askelittaisille menetelmille on tunnusomaista joko epätarkkuus ja hankala k äyttö (mittalankamenetelmä) tai vähäinen mittauspisteiden lukumäärä (akustinen emissio). Lisäki i mit-talankamenetelmän haittana on se, että ajopanos vääntyy helposti vinoon tai jopa katkeaa mitta-lankojen jännityksestä tai että mittalangoille viedyt johdotukset eivät kestä ajopanoksen aiheuttamaa kuumuutta. Lisäksi mittalangat haittaavat ajopanoksen palamista ja saattavat kiihdyt-10 tää sitä paikallisesti. Edelleen, menetelmä vaatii ajopanoksen inhiboinnin siten, että ajopanos-sauva ei pääse palamaan kuin toisesta päästään, mikä aiheuttaa laitteiston karstoittumista ja j likaantumista.

Yllä mainittujen jatkuvien menetelmien tunnusomaisia piirteitä ovat kallis toteutus (kaikki oj »tiset menetelmät), käytön epämukavuus ja hankaluus, epätarkkuus, rajoitettu mittauspituus (kulmamit-^ taus, optiset menetelmät), vika-alttius, häiriöherkkyys ja epäluotettavuus, hankala tulosten ti 1-kinta, kohinainen signaali, työläs huoltaminen, jatkuva puhdistuksen tarve. Siitä syystä jatku vat mittausmenetelmät eivät olekaan yleisesti käytössä, vaan ruutien palonopeudet mitataan ede leen mittalankojen tai akustisen emission avulla askelittain, huolimatta askelittaisten menetelmien pahoistakin puutteista.

'.'. Useimmille nykyisin käytössä oleville menetelmille on tunnusomaista mittaaminen vakiopai- .:. neessa, so. mittauksen aikana paine ei saa muuttua. Paloyhtälö saadaan mittaamalla palonop suk- ' , \ siä eri vakiopaineissa ja laskemalla tuloksista vakiotekijä ja paine-eksponentti paloyhtälöön.

Nykyiset, muuttuvassa paineessa suoritetut mittaukset puolestaan eivät ole absoluuttisia, so. r iistä . ·: ·. ei saada laskettua ajoaineen paloyhtälöä. Ko. menetelmiä voidaankin siksi käyttää vain vertai] una, . ·: ·. verrataan muuttuvassa paineessa mitattua paloaikaa ja mitattua painekäyrää tunnetusta ajoaiiiie- • * · 25 näytteestä mitattuihin.

"»· ,

Vakiopainemittaus johtaa vähintään kolmeen, tavallisesti viiteen, kuuteen mittaukseen jokaisjta ..." ajoainetta kohti, so. tarvitaan viisi, kuusi identtistä koesauvaa ajoaineesta, jotka poltetaan eri pai-neissa paineriippuvuuden määrittämiseksi. Jos halutaan määrittää ajoaineen palonopeuden li m- « · .*··.: pötilariippuvuus, jokainen koesaqa on lisäksi toistettava halutuissa lämpötiloissa ja termostoi tava .. * 3Q koko laitteisto ko. lämpötilaan. Tästä aiheutuu suuri määrä mittauksia, sillä lämpötilariippuv m- *.." den määrittämiseksi on mitattava vähintään kolmessa eri lämpötilassa, tavallisesti neljässä, v i- « · * * * ’ dessä. Lopputuloksena nykyiset menetelmät tuottavat siis kymmeniä mittauksia, ennen kuin ajoaineen ominaisuudet tunnetaan riittävän hyvin ajoaineen käyttämiseksi raketissa, aseessa tms.

s t i 3 107297 sovellutuksessa.

Muuttuvapaineisista menetelmistä puolestaan ei saada paloyhtälöä laskettua ollenkaan koeraketti-moottoria lukuun ottamatta eikä silläkään palorintaman paikkaa pystytä mittaamaan absoluuttisesti. Lisäksi koeraketin haittapuolena on se, ettei koerakettimoottorilla voi mitata ennalta 5 tuntematonta ajoainetta. Ajoaineen paloyhtälö on ensin tunnettava ainakin suunnilleen, ennen kuin koerakettimoottoria voidaan käyttää tai voidaan suorittaa aseella koeammuntoja.

Tunnetuissa vakiopamejäqestelmissä käytetään suurta painesäiliötä paineen tasaamiseen, sillä tunnetuissa mittalaitteissa ei voida käyttää ylipaineventtiiliä (varaventtiiliä). Ylipaineventtiilit aiheuttavat huomattavia ja äkillisiä muutoksia paineeseen avautuessaan ja tunnettujen palonope-jq usmittareiden mittausjäijestelmä ei sellaista salli. Laitteiston painealuetta voidaan säätää vain koko putkiston ja suuritilavuuksisen paineastian määräämissä rajoissa eikä paineen säätöön ole muita mahdollisuuksia kuin paineistuskaasun paineen muuttaminen ulkoisesti.

Tunnetuissa järjestelmissä kuluu suuri määrä kaasua, yleensä typpeä, järjestelmän paineistami-seen, sillä kutakin mittausta varten järjestelmä on paineistettava uudelleen ainakin osittain.

Lisäksi painetta pitää pystyä muuttamaan laajalla alueella ja suuren tilavuuden paineenmuutokset kuluttavat paljon kaasua tai vaativat pumppuja yms. talteenottojäijestelmän. Edelleen, tunnetuille jäqestelmille on tyypillistä, että vain yksi mittausmenetelmä voi olla kerrallaan käytössä, sillä eri menetelmät haittaavat useimmiten toistensa toimintaa ja vaativat erillisiä instrumentointimenetel-miä.

< · t 4 ' ·' Tunnettujen järjestelmien ongelmana on likaantuminen ja puhdistustarve käytön jälkeen. Ellei I I I 20 <' - jäqestelmää ole täytetty vedellä tai muulla nesteellä, kuten akustisella emissiolla mitattaessa teh- ( i dään, puhdistustyöhön kuluu suurin osa työaj asta. Nesteellä täytettynäkin laitteiston puhdistus vie puolet mittausajasta eli kysymyksessä on suuritöinen operaatio joka tapauksessa.

• · · • · · • « · . ·: ·. Keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 mukaista menetelmää, jolla voidaan ratkaista kaikki yllä • · · 25 mainitut epäkohdat. Keksinnön mukaisella menetelmällä saadaan mitattua ajopanossauvan tai - t · ·.. patsaan tai muun ajopanoskappaleen tai -tilavuuden palamisrintaman eteneminen sekä askelittain * · t .1! I v että jatkuvana signaalina. Keksinnön mukaisten menetelmien mittaustarkkuutta rajoittavat vain - ·' * 1 1 ajoaineen ominaisuudet, so. sen ainesosien raekoko. Käytännön kokeissa on havaittu mitatun « · * 1 1 *'1>1 palonopeuden epämääräisyyden olevan täsmälleen suurimpien hiukkasten raekoon verran.

’ 1(1 « Γ • »1 • · « 2q Keksinnön mukaisella menetelmällä mittaustuloksista saadaan laskettua ajoaineen paloyhtälön // parametrit ja määritettyä paloyhtälö yhdestä mittauksesta neljän, viiden mittauksen sijasta.

• · ’ · · 1 Sovittamalla patenttivaatimuksen 1 ja 2 mukaisen mittauksen avulla saadut tulokset esim. pienim män neliösumman menetelmällä suoraan haluttuun paloyhtälöön tai muuhun funktioon, saadaan suoraan ko. funktion parametrit selville. Paloparametrien määrittäminen laajalla painealueella 4 1072|97 yhdestä mittauksesta tulee mahdolliseksi patenttivaatimuksen 1 mukaisella tavalla, kun annetaan paineen muuttua mittauksen aikana tai muutetaan painetta tarkoituksellisesti. Ajoaineen pal unisen lämpötilariippuvuus saadaan siten vain muutamalla mittauksella muutaman kymmenen sijasta, sillä tarvitaan erillinen mittaus vain jokaista tutkittavaa lämpötilaa kohti.

Keksinnön mukainen menetelmä sietää hyvin painevaihteluita mittauksen aikana. Laitteisto tarvitsee vain pieniä määriä tai ei lainkaan paineistuskaasua patenttivaatimuksissa 5,6,7 tai 8 esitetyillä tavoilla. Samalla voidaan haluttaessa estää karstan muodostus kokonaan ja siten helpottaa huomattavasti laitteiston puhdistamista vaatimuksissa 6 ja 7 esitetyillä tavoilla.

IQ Ajoaineen kehittämä savu, liekki tai palojätteet eivät haittaa vaatimuksen 1 mukaisia menete lmiä toisin kuin tunnetuissa, optisissa ja sähköisissä menetelmissä käy. Lisäksi keksinnön mukaisia sekä ennestään tunnettuja mittausmenetelmiä voidaan käyttää vaatimuksen 4 mukaisesti yht taikaa. Esimerkiksi mittaussignaalia voidaan samalla käyttää kuten tunnettua akustista emissiot i, so. ajopanossauvan kokonaispituus jaetaan signaalin kokonaiskestoajalla, vaikka samalla mitatt lisiinkin vaatimuksen 1 mukaisesti ajoainesauvan pinta-alan muutoksia tai palonopeus ja paini i voi-^ daan saada mitattua yhtäaikaa samasta painesignaalista, kuten kuvista 3 ja 4 voidaan havaita. Lisäksi tunnettua mittalankamenetelmää tai muita palonopeuden mittausmenetelmiä voidaap käyttää yhtäaikaisesti vaatimuksen 1 mukaisten menetelmien kanssa.

Keksinnön mukaisilla menetelmillä niitattaessa paine voi vaihdella nollasta aina laitteen raki ;n- teen asettamaan ylärajaan saakka. Tällä tavoin palonopeusmittaus kattaa yhdellä kertaa kokc •, ·, 20 halutun painevälin. Painealueen säätämiseksi ei tarvita ulkoista paineistusjäijestelmää lainkalan, * (

' I

t;, vaan paine voidaan säätää patenttivaatimusten 5 tai 8 määrittelemillä tavoilla. Se yksinkertai »taa < < c laitteistoa suuresti, sillä pelkkä paineastia, johon on tehty instrumentointia varten tarvittavat äpi- t , L; viennit ja varaventtiili, riittää mittausten tekoon. Astia paineistetaan ennen mittausta ja sen jpl- . · j ·, keen suljetaan, eikä painetta tarvitse sen jälkeen välttämättä säätää tai valvoa erikseen.

• # · 25 V * Kuvassa 1 on kaavio laitteistosta. Laitteisto koostuu paineastiasta (Kuva 1, kohta 4), jonne ajopa-nos (Kuva 1, kohta 7) on suljettu. Astia on haluttaessa täytetty nesteellä (Kuva 1, kohta 6), jonka •tt>l määrällä voidaan samalla säätääpainealuettapatenttivaatimusten 5 ja 8 mukaan. Painetta rajoittaa ti· varoventtnli (Kuva 1, kohta 1), joka voi samalla toimia alkupaineistuskaasun täyttö venttiilinä ja astian tyhjennysventtiilinä. Ajoaine on kiinnitetty pitimenä toimivaan mikrofoniin (Kuva 1, kahta • t * , · · *, so 8), jonka avulla saadaan mitattua sekä hetkellinen palonopeus vaatimuksen 1 mukaisesti, etti.

• M* kokonaispaloaika tunnetun akustisen emission periaatteella. Vastaavalla tavalla palonopeus s ia- • · • > ] ’ daan mitattua paineanturin (Kuva 1, kohta 3) avulla patenttivaatimuksen 1 mukaisesti, kun aj oai- ♦ · * ♦ · ’ nesauva muotoillaan kuvassa 2 esitetyillä tavoilla tai yhdistelemällä niitä. Laitteistoon kuuluu myös järjestelmä ajoaineen sytyttämiseksi, esim. hehkulanka (Kuva 1, kohta 5) ja kannen läpi 5 107297 viedyt sytytysjohdot (Kuva 1, kohta 2).

Esimerkiksi vaatimuksen 1 mukaisesti voidaan muotoilla ajoaine hammastetuksi (Kuva 2, kohta 1), tehdä siitä kartiomainen (Kuva 2, kohta 2), loveta tai revittää mitattavaa ajoainetta (Kuva 2, kohta 3) tai muilla tavoin aikaansaada muutoksia palopinta-alaan palomatkan tai -ajan funktiona. 5 Esimerkiksi kartio voidaan muotoilla vapaasti, mutta on edullista tehdä siitä sellainen, että palo-pinta-ala muuttuu lineaarisesti palomatkan funktiona tiedonkäsittelyn yksinkertaistamiseksi. Pinta-alan muutos voidaan mitata akustisen signaalin amplitudimuutoksista, painemittaussignaa-lista tai muulla tavalla, joka riippuu palopinta-alasta. Koska pinta-ala kussakin kohtaa ajoainesau-vaa tunnetaan ennalta, voidaan määrätä palorintaman paikka kullakin ajanhetkellä palon aikana ja 10 siten selvittää myös kunkinhetkinen palonopeus.

Yhdistelemällä kuvan 2 muotoja saadaan mitattua vielä enemmän tietoa yhdestä signaalista vaatimuksen 4 mukaisesti. Esimerkiksi, jos käytetään kartiomaista, hammastettua ajoainesauvaa, saadaan mitattua palonopeus sekä laskemalla hampaiden aiheuttamia pulsseja paine-ja mikrofonisignaaleihin, että seuraamalla paineen nousunopeutta tai äänisignaalin amplitudia esim. 15 derivoimalla ko. signaalit. Kokonaispaloaika saadaan mittaamalla painesignaalin kasvavan osuuden kesto tai äänisignaalin kesto tai molemmista. Tällä tavoin voidaan saada kerralla useita rinnakkaisia mittaustuloksia ja huomattavasti lisää varmuutta mittaukseen. Jos yksi menetelmistä pettää, jää vielä muita jäljelle. Lisäksi saadaan paremmin varmistettua tulosten oikeellisuus mittaamalla samanaikaisesti useasta lähteestä.

\ . 20 Kuvissa 3 ja 4 on esimerkkinä painemittaus natriumkloraatti-natriumnitraatti-polybutadieeni -ajo- • · ,:. aineen palamisesta. Painekäyrästä j a varsinkin sen derivaatasta voidaan löytää pinta-alamuutosten • < < « : , , kohdat ajopanoksessa. Kun ko. kohtien välit tai etäisyydet ajopanoksen päästä tunnetaan, saadaan « « <

IM I

palonopeus ja paine samasta mittauksesta yhtäaikaisesti ja lisäksi paine voi muuttua vapaasti mit- e « tauksen aikana.

• · * • · · · 25 Koska paine muuttuu mittauksen aikana, saadaan paine-palonopeuskäyrä määritettyä kerralla.

Kuvassa 5 on esimerkkinä paine-palonopeuskäyrä määritettynä kuvan 3 painekäyrästä; murto- » · · viiva on mittaustulos ja kaareva käyrä on siihen sovitetun paloyhtälön kuvaaja. Paloyhtälöksi esi- - · ’ ]: merkin ajoaineelle saadaan r = 0,78 p 0,63 mm/s. Mittauspisteitä esimerkissä on käytetty 27 kpl, * . ·. ·. joten ko. palonopeuskäyrän määrittämiseksi tunnetuilla palonopeusmittareilla olisi pitänyt suorit- « · * • « . · ·. taa 27 kpl mittauksia 27 eri paineessa.

'·;·* 30

Mitatusta käyrästä on myös nähtävissä palopinnan epämääräisyys, jota ei havaita tunnetuilla . * * ·. menetelmillä. Mittausarvot vaihtelevat satunnaisesti noin 1 mm/s verran, sillä käytetyn ajopanok-* · · sen hapettimen suurin raekoko on noin 1 mm. Koska palonopeus on noin 10 mm/s, mittaukseen aiheutuu ajopanoksesta itsestään noin 1/10 eli 10 prosentin satunnaisuutta, mikä näkyy suoraan 6 10729^ palonopeuskäyrältä. Jos ajopanoksessa olisi esiintynyt palon epätasaisuutta tai siinä olisi oli at esim. halkeamia, ne olisivat paljastuneet vielä voimakkaampina, terävinä muutoksina palono-peuskäyrällä. Selostakaan tulosta ei saada tunnetuilla palonopeusmittareilla mitattua, sillä iie mittaavat palonopeutta koko ajoainesauvan pituudelta keskiarvona.

Yllä mainituilla esimerkeillä ei haluta millään muotoa rajoittaa keksintöä vain esimerkkejä t oi niistä johdettuja tapauksia koskevaksi. Keksinnön monet, mainitsemattomatkin muunnelmat ovat mahdollisia seuraavien patenttivaatimusten määrittelemien keksinnöllisten ajatusten puitteis >a: 10 15 : 20 * · · « · 4 • · « « · 1 4 1 · _ _ ·.1 1 25 • « r • « · « « « « · · • » # 30 I ♦ • 1 1 i · • ·

Claims (8)

7 107297

1. Menetelmä kiinteän tai nestemäisen ajoaineen palonopeuden mittaamiseksi, tunnettu siitä, että ajoaineen palamisrintaman paikkaa ajan funktiona seurataan mittaamalla muuttu- g vassa tai vakiossa paineessa palavan ajoaineen palopinta-alan muutosta painemittauksella, akustisesti, optisesti tai sähköisesti siten, että ennalta määriteltyihin ajoainenäytteen kohtiin valmistetut palopinta-alan muutokset moduloituvat mittaussignaaliin ja ilmaisevat siten palo-rintaman paikan kullakin ajan hetkellä.

2. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että palonopeus mitataan ajoai-neen palaessa paineastiassa.

3. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että palonopeus mitataan ajoaineen palaessa vapaassa tilassa.

4. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaatimuksen 1 mukaisia sekä muita palonopeuden mittausmenetelmiä käytetään yhtäaikaisesti tai että eri mittausmene-telmien tuloksia saadaan yhteisestä mittaussignaalista tai yhdessä muun mitattavan suureen kanssa.

5. Vaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että paineenmuutos säädetään alkupaineistuskaasun määrällä, muuttamalla paineastian alkutilavuutta astian rakenteen avulla # ·. ·. tai täyttämällä paineastiaa osittain tai kokonaan vedellä tai muulla nesteellä tai kiinteällä • · 20 .:. aineella, vaihtelemalla mitattavan ajoaineen määrää tai sulkemalla astiaan ajopanoksen lisäksi • « « « : . ·. muuta höyrystyvää tai kaasuuntuvaa ainetta tai liuotettua kaasua.

• · · · ” ’ * * 6. Vaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että paineistuskaasuna käytetään • · · * .* * happea, ilmaa tai muuta hapettavaa kaasua tai kaasuseosta, joka reagoi palojätteiden kanssa • · · • · · * kaasumaisiksi, nestemäisiksi tai laitteiston täytenesteeseen liukeneviksi aineiksi.

.···. 7. Vaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että paineastiaan lisätään neste- . · · ·. mäisiä, kiinteitä tai liuotettuj a kaasumaisia, hapettavia aineita, j otka reagoivat paloj ätteiden _ · ^ kanssa tuottaen kaasumaisia, nestemäisiä tai paineastian täytenesteeseen liukenevia aineita.

• · · • · » • · .' * ‘. 8. Vaatimusten 2 tai 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että paineenmuutos sääde- tään paineistuskaasun tai lisätyn nestemäisen, kiinteän tai liuotetun kaasumaisen hapettavan • *·· 30 aineen ja palojätteiden tai paineistuskaasun tai lisätyn nestemäisen, kiinteän tai liuotetun kaa- • · sumaisen hapettavan aineen ja erikseen lisätyn polttoaineen tuottaman reaktiolämmön tai -kaasujen vaikutuksella. —----------------------------------------------f-— --- 8 107^97