Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

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  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    1/252

    UNCLASSIFIED 

    A D  

    .r 

    t if* 

    D E F E N S E

     

    O C U M E N T A I I O N E N T E R  

    F O R  

    S C I E N T I F I C

     

    N D E C H N I C A L

     

    N F O R M A T I O N  

    C A M E R O N

     T A T I O N , L E X A N D R I A , I R G I N I A

     

    ÜFCLASSIFIED

     

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    2/252

    N O T I C E : 

    hen

    g o v e r n m e n t  

    or

     

    other

      d r a w i n g s , s p e c i -

     

    f i c a t i o n s

     

    or  

    other

      d a t a

     

    a r e  used f o r   any   purpose 

    other

     

    than

      i n  

    connection

     

    with

     

    a definitely related 

    g o v e r n m e n t  p r o c u r e m e n t   o p e r a t i o n , t h e   U . S . 

    G o v e r n m e n t

     

    thereby  I n c u r s

     

    n o  r e s p o n s i b i l i t y , no r   any 

    obligation   w h a t s o e v e r ;

     

    and   t h e

     

    f a c t

     

    t h a t

     

    the Govern- 

    m e n t  ma y

     

    h a v e

     

    f o n n u l a t e d ,

     f u r n i s h e d , 

    or in

    any   w a y

     

    supplied 

    t h e

     

    said

      d r a w i n g s , s p e c i f i c a t i o n s , 

    or

      other

     

    d a t a

     

    i s

     

    n o t

     

    to

     

    be

     

    regarded

     

    b y

      implication

     

    or  

    other-

     

    w i s e

     

    a s

      i n  

    any   manner   licensing t h e   holder  or   any 

    other

      person

     

    or c o r p o r a t i o n , 

    o r

     

    conveying

     «my  rights 

    o r  

    permission

     t o m a n u f a c t u r e , 

    use

      o r  s e l l  any

     

    patented

    invention  t h a t

     may

     

    i n

     any

     

    way

     

    be

     

    related 

    t h e r e t o . 

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    3/252

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  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    4/252

    PRINCETON UNIV

     

    ER 

    I

     

    T Y  

    DEPARTMENT

     OF AERONAUTICAL ENGINEERING 

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    5/252

    DEPARTMENT

     OF

     

    THE

     

    AIR  FORCE

     

    AIR FORCE

     

    OFFICE

     

    OF

     

    SCIENTIFIC

     

    RESEARCH 

    PROPULSION 

    RESEARCH

     

    DIVISION

     

    Grant

     

    AF-AFOSR-92-63

     

    SOLID

     PROPELLANT IGNITION

    STUDIES

    IGNITION

     

    OF TH

    REACTION

     FIELD

     

    ADJACENT 

    TO THE

     

    SURFACE

     

    OF A SOLID PROPELLANT 

    Final

     

    Technical 

    Report 

    October 

    1962

     

    to 

    30 September

     

    1963 

    Aeronautical Engineering

     

    Report

     

    No. 67 4 

    Prepared

     

    by :  C&HMJfe****̂ * 

    Clarke

     

    E, Hermance 

    Research

     Associate 

    (Kx^UA

     

    ^t^v

     

    ca t

     

    Reuel

     

    hinnar 

    Visiting esearch

     ngineer

     

    u  Joseph

     Wenograd

     

    Research

     

    /Qaff Member 

    Approved b

     

    r  

    Martirr'Summerfi

     

    Principal

     

    Investi' 

    Reproduction,

     

    translation,

     

    publication,

     

    use and disposal 

    in

     whole or

     

    in 

    part

     by or 

    for

     the United

     

    States Government 

    is

     

    permitted. 

    1 December 1963 

    Guggenheim

     

    Laboratories

     for

     

    the 

    Aerospace Propulsion 

    Sciences

     

    Department

     of Aerospace and Mechanical Sciences 

    PRINCETON-UNIVERSITY 

    Princeton, New 

    Jersey

     

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    6/252

    The contents 

    of

     

    this

     

    report

     have

     been

    submitted

     

    by

     

    Clarke 

    E . 

    Herraance 

    in

     

    partial fulfillment of the requirements 

    for

     

    the 

    degree

     of Doctor 

    of

     

    Philosophy

     

    from

     

    Princeton

      University,

     1963, under 

    the

     title of

     

    "Ignition

     of

     

    the

     Reaction 

    Field

     

    Adjacent to the Surface of

     a

     

    Solid 

    Propellant." 

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    7/252

    ACKNOWLEDGEMENTS

     

    This 

    dissertation

      wa s completed with the 

    assistance

     

    of

     a

     large 

    number

     of

     

    kind

     

    persons to

     

    whom 

    I am

     

    very

     

    grateful. 

    It

     wa s

     

    my  great 

    privilege and

     pleasure 

    to 

    carry

     

    out

     this research under 

    th e

     direction of 

    Professor

     Martin

     Summerfield

     who

     

    suggested

     the 

    research

     

    program.

     

    is continued support and encouragement

     

    were 

    vital 

    for

     

    the completion 

    of 

    this work, 

    an d are 

    deeply

     

    appreciated. 

    Many

     fruitful an d stimulating hours of discussion 

    concerning the theoretical developments 

    in

     

    this

     

    program

     

    were

     

    spent

     

    with

     

    Professor

     

    Reuel

     

    Shinnar,

     

    Visiting

     

    Professor

     

    in

     

    the Department

     

    of

     Aeronautical 

    Engineering. 

    he

     

    completion

     

    of this

     program

     is in a

     

    large

     measure

     due to 

    his

     steadfast interest, 

    for

     which

     I am

     wholeheartedly

     

    grateful.

     

    Dr. Joseph

     

    Wenograd's 

    technical 

    help

     

    and

     

    personal 

    interest is acknowledged 

    gratefully. 

    pecial

     thanks ar e 

    due the Department

     

    of 

    Mechanical

     Engineering, 

    and

     particularly  

    to Professors R .

     

    M.

     

    Drake an d J. B.

     

    Fenn of that Department, 

    for

     

    continued support and encouragement.

     

    Mr. L. L. 

    Hoffman

     deserves great credit for h is  

    unselfish 

    help in

     

    the

     digital

     

    computation 

    part of this

     

    work, 

    and

     

    I

     

    wish

     to

     

    thank

     

    him

     

    very

     

    m u c h , ,

     

    essrs.

     G .

     

    Barnock

     

    an d

     

    N. Carney

     

    were

     most 

    helpful in the experimental

     part of

     

    this 

    program 

    an d their efforts are gratefully

     

    acknowledged. 

    The 

    final

     

    manuscript

     wa s

     typed

     by  

    Miss 

    Yolanda

     

    Pastor;

     

    her

     

    skill an d

     

    unswerving effort 

    are

     truly

     

    appreciated. any 

    other members of the technical 

    staff

      of the 

    Guggenheim

     

    Laboratories

     

    for the

     

    Aerospace Propulsion Sciences 

    contributed

     

    their time an d 

    effort. 

    I

     would

     like to 

    thank all

     of

     them 

    at 

    this time. 

    Finally,

     I

     would 

    like

     to

     take

     

    this

     opportunity

     to 

    thank 

    my

    wife, for

     

    he r love an d encouragement 

    were

     essential 

    for the completion of this

     

    work. 

    Financial 

    support wa s

     provided

     

    by

     

    the 

    U.

     S . 

    Air

     

    Force Office of Scientific Research

     

    on

     

    Grant

     

    AF-AFOSR

     

    92-63. 

    This

     

    work made

     use of

     

    computer 

    facilities

     supported

     in

     

    part 

    by National Science 

    Foundation

     Grant

     

    NSF-GP579. 

    11 

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    8/252

    ABSTRACT 

    Early

     experimental an d theoretical investigations 

    o f s o l i d propellant ignition

     

    seemed

     to

     

    indicate 

    that ignition

     

    w a s 

    caused

     by exothermic 

    solid

     phase reactions stimulated

     

    at

     

    t h e

     

    e x p o s e d

     

    surface o f a propellant by applied heat.  Later 

    experiments, 

    n which

     

    nitrate ester

     an d composite propellants 

    w e r e

     exposed 

    to 

    various gases 

    at

     controlled high

     

    temperatures

     

    a n d pressures, showed that the ignition

     

    delay wa s influenced 

    no t 

    only 

    by the 

    nature

     

    of

     the 

    propellant,

     but by  the quantity  

    of oxidizer present 

    in the

     external

     

    gas 

    and 

    the 

    gas pressure. 

    Log-log 

    plots

     

    of 

    experimental 

    ignition

     

    delay

     versus the 

    gaseous

     oxidizer concentration exhibited a range 

    of

     slopes 

    from zero to minus two 

    or

     more.  These experiments indicated 

    that the

     igniter 

    gas plays a specific role in the ignition 

    process,

     and that propellant

     ignition

     could

     be

     

    due

     

    either

     to 

    a

     

    reaction

     

    of

     

    propellant

     

    fuel

     

    molecules 

    with 

    the

     

    gaseous

     

    oxidant 

    in 

    a

     gas

     

    phase 

    reaction,

     or to 

    heterogeneous

     

    surface 

    reaction between oxygen and the solid phase

     

    fuel. 

    The object of this research was to 

    further

     elucidate 

    the

     ignition 

    mechanism 

    of

     

    solid 

    propellants,

     to identify

     the 

    component processes, an d to lay the basis for 

    a

     theory

     

    of 

    ignition.

     

    Experiments

     were performed

     in which

     

    composite

     

    propellant samples and polymeric fuel samples 

    were

     exposed 

    to

     

    high

     and

     low speed flows of

     oxygen

     

    containing

     gases at 

    high temperature and pressure in

     

    a shock tunnel.  Ignition 

    of either 

    propellant or

     

    fuel could not be 

    obtained 

    in

     high

     

    speed

     

    flows

     

    ( c a .

     

    5000

     

    ft/sec)

     even

     

    in 

    pure

     

    oxygen;

     in 

    addition,

     

    no

     charring

     or

     

    decomposition 

    of 

    the

     fuel 

    was

     observed.

     

    At 

    low 

    flow

     speeds, on the 

    other

     hand, 

    gnition

     of the 

    composite

     

    propellant an d the

     

    polymeric 

    fuel

     

    did

     occur, and 

    the

     ignition 

    delay   was found 

    to

     depend on the gas phase oxygen concentration.

    The non-ignition 

    at 

    high flow

     

    speeds indicated 

    that

     dilution

     

    or 

    sweeping

     away

     

    of the 

    gaseous

     reaction zone

     inhibited

     the 

    ignition.

      An 

    ignition

     limit

     

    for the

     fuel

     samples 

    near

     50 % 

    oxygen mole fractions was observed, suggesting that 

    boundary

     

    layer

     

    flame 

    establishment

     

    required

     a

     longer 

    fuel

     

    sample. 

    These results 

    indicate

     that 

    a

     pure 

    solid

     phase

     

    ignition 

    mechanism

     is incorrect, and strongly suggest 

    that

     

    the site

     

    of

     

    ignition 

    is 

    in

     

    a

     

    gaseous reaction boundary layer

     

    adjacent 

    to

     

    the

     

    surface

     of

     

    the

     

    propellant 

    and

     

    not

     on 

    the

     

    fuel surface

     

    itself. 

    A previous approximate theory

     

    of

     

    solid

     

    propellant

     

    ignition 

    by

     

    gas phase reaction, developed by  

    McAlevy

     and 

    Summerfield, 

    did 

    not 

    predict the correct dependence of

     

    ignition

     

    delay

     

    on oxygen 

    concentration;

     therefore, the theoretical 

    situation wa s in doubt.

     

    A

     

    special point

     

    of

     

    interest 

    for the 

    111 

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    9/252

    theoretical

     

    development

     

    is

     

    that

     

    proportionality

     

    of

     

    the

     

    ignition

     

    delay

     to

     

    the 

    gaseous oxidizer

     

    concentration 

    raised 

    to a

     

    power

     substantially 

    greater 

    than 

    minus

     one

     

    has

     

    been

     

    observed in solid

     

    propellant ignition.  Therefore, the theory

     

    of

     

    thermal, gas

     

    phase ignition was

     extended

     

    to check  whether

     

    a

     

    gas

     

    phase

     

    ignition mechanism

     

    could admit a

     

    dependence

     

    on

     

    oxidizer

     

    concentration

     raised   t o  a  power 

    greater

     

    than

     minus

     

    one. 

    A mathematical

     

    model

     

    was formulated for

     

    the thermal,

     

    gas

     

    phase

     

    ignition

     

    of

     

    a

     

    reaction

     field 

    adjacent

     

    to a condensed

     

    phase

     

    fuel

     suddenly exposed

     

    to a

     hot,

     stagnant, oxidizing gas.

     

    The

     characteristic ignition

     

    properties

     

    of

     this 

    model were

     

    treated first

     by similarity

     

    theory

     and then 

    by

     

    numerical

     

    methods.

      Two 

    cases

     were 

    treated:  in

     the first

     

    case

     the

     

    concentration

     

    of

     

    fuel

     vapors 

    at

     

    the

     

    condensed

     

    phase

     

    surface

     

    was taken

     

    constant; 

    in 

    the second

     

    case

     

    a

     

    constant

     

    mass flux

     

    of fuel 

    vapors

     

    from

     

    the surface

     

    wa s

     assumed.

      The

     

    surface

     

    temperature

     of

     

    the condensed phase was assumed constant 

    ( a 

    restrictive assumption 

    to be

     removed 

    in later 

    work), 

    and 

    the

     

    chemical

     

    reaction  was

     

    represented by  a

     

    second

     

    order

     

    reaction

     

    with

     

    an

     

    Arrhenius

     function 

    temperature

     dependence. 

    It is 

    significant 

    that

     

    the

     

    system of

     

    three, coupled,

     

    nonlinear, 

    partial differential equations

     

    of

     

    this

     

    mathematical

     

    model could be integrated by digital

     

    techniques.

     

    The integrations

     

    were

     

    both

     stable and

     

    convergent,

     

    howing that

     

    the

     

    solution

     

    of

     

    similar problems of nonlinear

     

    nature should 

    be 

    possible.

     

    An

     important

     conclusion

     

    was

     

    that

     

    when

     (RT/E)

     > 

    /5,

     

    classical

     

    induction

     period

     

    does 

    not 

    exist; the 

    reaction

     

    temperature 

    rises continuously

     

    and the

     

    definition of

     

    the state

     

    of

     

    ignition 

    becomes 

    arbitrary.

     

    Consequently,

     

    two

     

    experiments

     

    could 

    show

     

    differing

     

    effects

     

    of

     

    oxidizer concentration

     

    on

     

    the 

    ignition

     

    delay

     unless identical ignition

     

    detection methods

     

    were

     

    used.

     

    Furthermore, at least to

     

    a limited

     

    degree, a theory of

     

    ignition

     

    can be

     

    made

     

    to 

    fit

     experimental 

    results

     

    by 

    deliberate

     

    choice

     of

     an

     ignition

     criterion.

     

    It wa s 

    shown

     

    that

     for

     

    any ignition criterion,

     

    the 

    sensitivity of

     

    the

     

    ignition delay

     to

     

    changes in the

     concentration

     

    of

     gaseous

     

    oxidizer

     

    ca n

     

    vary

     

    strongly.

     

    A

     

    log-log plot

     

    of these

     

    quantities 

    ca n exhibit

     

    a slope 

    between

     

    zero an d minus infinity. 

    Therefore, 

    the

     

    gas 

    phase

     ignition delay of a 

    heterogeneous

     system 

    can

     

    depend

     

    on the

     

    gaseous oxidizer

     

    concentration

     

    raised

     to

     a

     

    power

     

    greater

     

    than

     

    one

     

    over

     

    some 

    range

     

    of

     

    oxidizer

     

    concentration.

     

    The 

    presence 

    of 

    diffusional

     

    processes

     

    was 

    found

     

    to 

    result in

     

    a falsification of

     

    the

     

    activation energy of

     

    the

     

    chemical

     

    reaction.  The 

    apparent 

    activation 

    energy

     found from

     

    a plot

     

    of

     

    log 

    ( t .

     

    versus (l/T

     

    was lower

     than

     

    the

     

    actual

     

    activation

     

    energy?

     ctivation energies

     reported

     on

     

    the

     

    basis 

    of

     

    such

     

    experimental

     

    data 

    are

     thus invalid.

     

    IV

     

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    10/252

    The

     

    analysis indicated

     

    that gas 

    pressure

     increases 

    could

     have an adverse effect

     

    on

     the 

    ignition delay under 

    certain

     

    restrictions

     

    on

     

    the

     

    physical

     

    parameters

     

    of

     

    the

     

    system.

      This

     is 

    contrary 

    to 

    the prediction of a heterogeneous 

    surface ignition

     

    theory,

     but

     unfortunately

     

    there

     

    is

     

    no 

    experimental data to

     

    support it. 

    This work is 

    significant

     

    in

     that 

    it

     

    points

     

    out

     

    th e

     

    type

     of

     

    decisive

     

    experiments

     needed

     to

     

    test

     

    the

     validity of 

    either

     

    th e gas phase or surface 

    reaction

     ignition mechanism.

     

    Conclusive

     interpretation of

     

    the results of

     these 

    experiments,  

    however, require

     

    that

     the

     gas

     

    phase

     

    theory 

    be extended

     

    by 

    relaxing

     the restriction of constant temperature

     

    at the 

    surface of the 

    condensed

     

    phase.

      In 

    addition, 

    theoretical 

    extension to

     

    include

     

    the

     

    case of a

     

    flowing

     

    igniter gas 

    should 

    be

     carried out. 

    v

     

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    11/252

    TABLE OF CONTENTS

     

    TITLE

     

    PAGE

     

    ACKNOWLEDGEMENTS

     

    ABSTRACT 

    TABLE 

    OF

     

    CONTENTS

     

    LIST OF

      FIGURES 

    Part 

    Part

     

    I I 

    TABLE 

    OF

     SYMBOLS 

    CHAPTER

      1-1 

    DISCUSSION 

    OF PREVIOUS

     

    IGNITION

     STUDIES 

    PART 

    I

     

    CHAPTER

     

    1-2 

    CHAPTER

     

    1-3

     

    A . INTRODUCTION 

    B . REVIEW 

    OF

     EARLY

     

    THERMAL IGNITION THEORY 

    1 .

     Stationary Theory   of Thermal Ignition 

    2 .

     

    Nonstationary 

    Theory of 

    Thermal 

    Ignition

     

    C .

     

    PAST 

    EXPERIMENTS

     

    ON

     THE 

    IGNITION

     

    OF COMBUSTIBLE  MIXTURES 

    1 .

     

    Ignition 

    of Gaseous 

    Mixtures

     

    (Homogeneous Ignition)

     

    2 . Ignition of

     

    Heterogeneous 

    Mixtures

     

    of

     

    Gases

     and

     

    Liquid

     

    Fuels

     

    D . DISCUSSION

     

    THERMAL

      THEORY

    OF

     

    IGNITION

      FOR 

    HOMOGENEOUS

     

    AND  HETEROGENEOUS 

    SYSTEMS 

    SIMPLIFIED  MODEL

     

    FOR  THE

     

    THERMAL IGNITION

     

    OF A DIFFUSION FLAME

     NEAR

     A

     

    COOL

     

    SURFACE 

    A .

     

    SPECIFICATION 

    OF

     THE

     

    PHYSICAL

     

    PROBLEM

     

    B . 

    DISCUSSION 

    OF

     

    VARIATIONS

     

    IN

     

    THE

     

    CHARACTERISTIC

     

    GROUPS 

    1 . Constant

     

    Pressure, 

    Variable

     

    2 . Constant

     

    3 .

     Constant

      y '̂)

     

    Variable

     

    Pressure

     

    Page 

    ii

     

    iii 

    vi

     

    x

     

    xii

     

    xv

     

    1

     

    11

     

    14

     

    A . EFFECT

     

    OF

     REACTANT 

    CONSUMPTION

     

    B . EFFECT

     OF

     QUIESCENT OR UNSTIRRED

    MIXTURES

     8 

    C .

     

    SUMMARY 0 

    D . INTRODUCTION TO THE

     

    THERMAL  THEORY 

    OF

     

    IGNITION IN

     

    HETEROGENEOUS

     SYSTEMS 

    y£ %

     

    ,  Variable Pressure 

    2 3

     

    2 3

     

    30

     

    31 

    32 

    32

     

    vi 

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    12/252

    TABLE

     

    OF

     

    CONTENTS-contd.

     

    Page

     

    CHAPTER 

    1-3 

    SIMPLIFIED

     MODEL FOR

    TH E 

    THERMAL

     

    IGNITION

     

    OF

     A DIFFUSION FLAME

     

    NEAR

    COOL

     

    SURFACE-

     

    contd.

     

    C . 

    DIAGNOSIS

     OF 

    LIMITING

     CASES 3 

    1 . 

    Variation

     of

     the

     Ignition Delay

     

    for

     

    Large Initial 

    Values

     of 

    Oxidizer 

    Concentration

     3 

    2 . The 

    Sensitivity

     of Ignition 

    Delay to 

    Changes

     in 

    Pressure

     

    D .

     IGNITION

     LIMITS

     

    IN  

    TH E THERMAL 

    IGNITION

     

    OF A

     DIFFUSION

     FLAME

     

    E.

     

    SUMMARY

    OF

     

    RESULTS

     OF

     

    NON-NUMERICAL ANALYSIS 0

     

    CHAPTER 1-4

     

    CHAPTER 

    1-5 

    CHAPTER II-l

     

    THERMAL 

    IGNITION

     OF A DIFFUSION FLAME

     

    NEAR

     

    COOL

     

    SURFACE:

     

    PRESENTATION 

    AND

     DISCUSSION 

    OF

     

    RESULTS

     OF

     

    THE 

    NUMERICAL

     

    SOLUTION

     

    A. SIMPLIFYING  ASSUMPTIONS AND

     

    THEIR VALIDITY 2

     

    B . BEHAVIOR 

    OF 

    TH E

     

    DIMENSIONLESS

     

    IGNITION

     DELAY

    1 . Changes in ( A )

     

    and/or ( B ) ,

     

    and the Ignition Criterion  6 

    2 . Equal Changes 

    in

     B ,  and  ^ 9

     

    3 . 

    Changes in

     

    S >

    0

    C .

     

    BEHAVIOR

     

    OF

     

    TH E

     REAL

     

    IGNITION DELAY

     

    IN

     

    TH E THERMAL 

    IGNITION

      OF A DIFFUSION FLAME 

    0

     

    1 . Variable 

    0

    ® 

    ,

     Constant Pressure

     

    2 .

     

    Variable Pressure

    3

     

    3 . The

     

    Effect

     

    of Variations

     

    in Initial Gas Temperature

     

    SUMMARY 

    OF

     RESULTS 7

     

    PART II 

    REVIEW

      OF RECENT

     RESEARCH

     ON TH E 

    MECHANISM 

    OF 

    SOLID PROPELLANT

     IGNITION  60 

    A. INTRODUCTION

    B . THEORIES OF

     

    PROPELLANT IGNITION 1

     

    1 .

     

    Discussion

     

    of

     

    Ignition

     

    Criterion

     

    1

     

    2 . 

    Solid

     

    Phase

     Ignition 2 

    3 . Gas Phase Ignition 4 

    4. 

    Ignition

     Due

     

    to Heterogeneous

     

    Reactions

     at 

    the

     

    Gas-Solid

     Interface

     

    VI  i

     

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    13/252

    TABLE OF CONTENTS-contd. 

    Page

     

    CHAPTER II-l 

    REVIEW  OF RECENT

     

    RESEARCH ON  THE MECHANISM 

    OF SOLID PROPELLENT

     

    IGNITION-contd. 

    C . EXPERIMENTAL

     

    STUDIES OF 

    SOLID 

    PROPELLANT

     IGNITION 

    1 . General Considerations 

    2 . 

    Hot

     Wire Ignition 

    of Composite

     

    Solid Propellants 

    3 .

     

    Explosion

     Tube

     

    Propellant 

    Ignition Experiments 

    4 . Ignition of Nitrate Ester 

    Propellants

     

    by Forced 

    Convection

     

    5 . Ignition of

     

    Nitrate Ester

     

    Propellant

     i n a 

    Pressurized

     Oven

     

    6 .

     Propellant

     

    Ignition

     

    by 

    High Convective

     

    Heat

     

    Fluxes 

    7 .

     

    The Ignition of

     

    Composite

     

    Solid 

    Propellants

     in

     a

     

    Shock  Tube 

    8 .

     

    Ignition of Composite

     

    Propellants 

    by a

     Radiant Energy  

    Flux 

    9 .

     Composite Propellant Ignition 

    in

     

    Small Rocket Motor 

    D . DISCUSSIONS 

    AND

     CONCLUSIONS 

    68

     

    68 

    70 

    71

     

    72 

    7 3  

    7 3 

    74 

    75

     

    7 7 

    78

     

    CHAPTER II-2 

    EXPERIMENTS

     

    ON

      THE

     

    IGNITION  OF

     

    COMPOSITE 

    SOLID PROPELLANTS 

    CONVECTIVELY

      HEATED 

    IN A

     

    SHOCK 

    TUNNEL 

    A .

     EXPERIMENTAL

     

    1 . Basic Equipment Selection 

    2 .

     Shock

     

    Tunnel Operating Conditions 

    3 .

     

    Other Equipment 

    4 . Experimental 

    Results

     

    5 . Conclusions Obtained 

    from

     

    Supersonic

     

    Flow

     

    Ignition  Tests 

    6 .

     Subsonic

     

    Flow

     

    Propellant

     

    Ignition

      Tes

     

    7 . Results of Subsonic 

    Flow

      Ignition  Tes 

    8 .

     

    Discussion

     

    of Results of

     Supersonic 

    and

     

    Subsonic

     

    Propellant

     

    .Ignition

     

    Test

     

    9 . 

    Pure

     

    Fuel

     

    Ignition

      Tests, 

    Technique and Results 

    1 0 .

     Summary

     

    of

     

    the Pure

     

    Fuel 

    Ignition 

    Test

     Results 

    1 1 . 

    Discussion

     of the Pure Fuel 

    Ignition Test

     Results

     

    1 2 . 

    Necessary

     Considerations

     in

     

    the

     

    Planning

     

    of

     Future Composite Solid 

    Propellant Ignition 

    Experiments

     

    81

     

    8 1 

    8 1 

    8 2 

    83

     

    8 4 

    87 

    ts  8 8 

    ts 

    89 

    s

      91 

    94 

    96

     

    98  

    10 0 

    Vlll 

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    14/252

    TABLE OF CONTENTS-contd. 

    REFERENCES 

    Part 

    I

     

    Part II 

    APPENDICES

     

    Page

     

    A-l 

    A-2

     

    A-3

     

    A-4 

    A-5 

    A-6 

    A-7 

    A-8

     

    A-9 

    A-10 

    TH E

     BASIC

     

    SHOCK TUBE -l

     

    TH E

     

    TAILORED INTERFACE CONDITION -2

     

    INSTRUMENTATION

    -4 

    1 . Shock

     

    Sensors -4 

    2 . Amplifiers -5 

    OTHER EQUIPMENT

    -6

     

    1 . Supersonic Nozzle Design -6 

    2 .

     

    Subsonic

     

    Nozzle

    -7

     

    3 . 

    Ignition Model

     

    Preparation

    -9 

    SAMPLE SURFACE

     CONDITIONS

    -1 0

     

    1 . Supersonic Flow: 

    Stagnation

     

    Point

     

    Heat Transfer, 

    Surface

     Temperature

     

    -10

     

    2 , Subsonic Flow

    Model

     Surface Temperature

     

    -1 1 

    ALUMINUM EVAPORATION 

    TECHNIQUE 

    FO R 

    FUEL

     

    MODEL INHIBITION

    -1 5

     

    SIMILARITY ANALYSIS OF THE GAS PHASE IGNITION 

    MECHANISM 

    FORMULATED 

    BY

     

    McALEVY ( 1 2 ) -1 7 

    SIMILARITY ANALYSIS

     OF

     A MODEL FOR HETEROGENEOUS

     

    IGNITION B Y HYPERGOLIC SURFACE REACTION 

    -21 

    PROGRAMMING

     METHODS FOR TH E NUMERICAL 

    INTEGRATION

     OF TH E EQUATIONS 

    FO R

     

    THERMAL

     

    IGNITION

     

    OF

     

    A

     

    DIFFUSION

     

    FLAME

     

    -27

     

    A. SELECTION AND DISCUSSION

     

    OF 

    FINITE-DIFFERENCE

     TECHNIQUE

     

    -29 

    B. 

    COMPUTATIONAL 

    DIFFICULTIES, PROCEDURES, 

    AND

     

    OBSERVATIONS -35

     

    TH E NEGLECT OF CONVECTIVE TRANSPORT 

    OF 

    MASS 

    AND ENERGY -37

     

    F L O ' r t T

     CHART

     

    OF

     

    COMPUTER 

    PROGRAM 

    A

     

    GENERAL

     

    PROGRAM FOR 

    TH E NUMERICAL 

    INTEGRATION 

    OF TH E 

    SE T 

    OF

     

    PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS DESCRIBING TH E

     

    THERMAL IGNITION OF 

    A DIFFUSION FLAME

     

    NEAR A

     COOL WALL, 

    FOR CASES 

    AND 

    II. 

    TABLE I 

    IGNITION

     OF M2 PROPELLANT 

    FIGURES 

    IX 

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    15/252

    LIST  OF 

    FIGURES 

    FOR

     PART I

     

    FIGURE 

    1-1  Form

     

    of

     

    Numerical 

    Solutions 

    at

     Successive 

    Intervals 

    of

     

    Time 

    1-2 

    Dimensionless Ignition

     

    Delay

     

    versus (1/A),

     

    case

     

    I

     

    1-3 

    Dimensionless 

    Ignition 

    Delay versus

     (1/A),

     

    case 

    I

     

    1-4 

    Effect 

    of  B Parameter

     

    Variation

     

    on  Dimensionless

     

    Ignition

      Delay, 

    case

     

    1-5 

    Effect of

      B 

    Parameter Variation

      on 

    Dimensionless 

    Ignition

      Delay, 

    case

     I

     

    1-6

      Effect

     of

      B Parameter Variation

     

    on  Dimensionless

     

    Ignition

      Delay, case I

     

    1-7 

    Dimensionless 

    Ignition 

    Delay

     versus

     Ratio

     B/A,

     

    case 

    II

     

    1-8

     

    Dimensionless Ignition

     

    Delay versus

     

    Ratio 

    B/A,

     

    case II

     

    1-9 

    Dimensionless 

    Ignition

     

    Delay

     versus Ratio 

    B/A,

     

    case 

    II

     

    1-10  Effect of 

    Activation 

    Energy

     

    on 

    the

     Dimensionless 

    Ignition

      Delay,

     case 

    I

     

    1-11 

    Effect of  Activation

     

    Energy

     

    on 

    the

     Dimensionless 

    Ignition

      Delay, 

    case

     

    II 

    1-12

      Sensitivity

      of Ignition  Delay to 

    Initial 

    Gas

     

    Temperature,

     case 

    1-13

      Sensitivity

     

    of Real

     Ignition 

    Delay 

    to

     Initial 

    Oxidizer

     

    Mole Fraction

     

    at 

    Constant

     Pressure,

     

    case 

    I

     

    1-14 

    Sensitivity

     

    of

     

    Real 

    Ignition

     

    Delay

     to

     

    Initial

     

    Oxidizer Mole

     Fraction

     

    at

     

    Constant Pressure,

     

    case 

    II

     

    1-15

      Sensitivity

     

    of Real

     Ignition  Delay

     to Initial 

    Oxidizer  Mole Fraction

     

    at Constant Pressure,

     

    case 

    II

     

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    16/252

     

    •:•} . 

    ;  

    • ; • ' - 

    > .•  

    ; - 

    > >

     ' 

    • . 

    '  ',   '.  

    •  

    •  

    *  *• 

    ,

     

    .

     

    .  • •   ^

    ,

     

    f

    -  '

     

    .'

     

    • ' 

    *  

    .  

    y

     •

     

    t

    ';

     

    t

     

    ä\- 

    ' . *

     

    \

     

    y. 'V. 

    . •

     

    .  ••

     

    *• 

    • 

     

     

    * \  

    1^

    • y . • 

    '•

     .  i 

    t

    •./Ufc.

     

    *  • 

    \'

     

    '

    1

    * : » -

     

    *'

     

    »  

    ./  

    '* .'i'

     

    •.Vi-

     

    * •

     

     

    *  

    •   •  

    / •

     

    r

    .

     : • • >  

    •.

     

    ,

     

     

    ••

     

     

    ,  ,

    » , 

    , • 

    •• 

    1.

     

    « , •   ,

     

    t

     

    , . •

     • • .  

    ..•o *.

    ;'

     

    '.

     

    0

     

    <

     

    t

      •.

     

    >

     

    «

    :'

    i

     

    V.

     

    '..• 

    •»■

     

    fj

    *.   rf

    .

     

    • 

    LIST

     OF 

    FIGURES

     

    FOR

     

    PART

     

    I-contd.

     

    FIGURE 

    1-16

      Sensitivity of Real

     

    Ignition  Delay to

     Initial 

    Oxidizer

     

    Mole Fraction 

    at Constant

     Pressure,

     

    case

     II

     

    1-17

      Sensitivity

      of 

    Real

     

    Ignition Delay

     to 

    Pressure 

    Level, 

    Constant Initial

     Oxidizer  Mole Fraction,

     

    case

     

    I

     

    1-18

      Sensitivity

      of

     Real

     Ignition 

    Delay 

    to

     

    Pressure

     

    Level; 

    Constant Initial

     Oxidizer Concentration,

     

    case

     

    I

     

    • 1-19

     

    Sensitivity

     of

     Real Ignition  Delay to Pressure

     

    Level; Constant

     

    Initial

     

    Oxidizer

     

    Concentration,

     

    - .

      case I

     

    \I-20.

     

    . .  Sensitivity

     

    of

     Real Ignition

     

    Delay to

     

    Pressure

     

    ;

     

    .  Level;

     Constant Initial

     Oxidizer 

    Concentration, 

    . •

      '• . . 

    ase

     I

     

    ' .   . • I . - i 2 1

      ' ' .

      Sensitivity

     

    of

     Real Ignition 

    Delay

     to Pressure

     

    ' • • . .

     

    • •

     

    .   , . ' ; .

     

    .Level;

     

    Constant Initial

     Oxidizer 

    Concentration, 

    ' • • '

    ' /   •   .

     

    ;

     

    :

    °  .case

     

    I

     

    :  

    1-22.'

     

    /

    Sensitivity

     

    of

     

    Real

     

    Ignition

     

    Delay

     to 

    Pressure

     

    ' • . . •

    • ' • ; .

      • .

      • •  

    L e v e l ; '

     Constant 

    Initial

     Oxidizer

     

    Mole Fraction,

     

      . . '   i/'base

     

    -11 

    .. 

    -

     -.• 

    . . 1 - 2 3 .  

    :

    •  

     

    t

     Sensitivity

     

    of Real

     

    Ignition

     

    Delay to Pressure 

    ' < > • . • .   ' • ' t . . . .   . '   ;  

    Level; Constant Initial

     Oxidizer 

    Concentration, 

    . • ' • •   . . ' ' . ' . . • • „ •   case I I .

     

    ' ;  

    :l~2\-\

      Sensitivity  

    of

     Real Ignition  Delay to Initial

     

    - ' _ .  *  • • ; :  

    <

     Gas Temperature Level, 

    case

     I

     

    1-25./

      Sensitivity

     

    of Real Ignition

     

    Delay to

     

    Initial

     

    • • • ;  Gas

     

    Temperature 

    Level,

     case I

     

    XI 

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    17/252

    LIST OF FIGURES

     

    FOR 

    PART 

    II 

    FIGURE 

    1

     

    ot

     

    Wire

     

    Ignition

     

    of

     

    Composite Propellants

     

    2

     itrate 

    Ester

     

    Propellant 

    Ignition

     

    in

     an 

    Explosion

     

    Tube

     

    3

     onvective

     

    Ignition

     

    of

     Nitrate

     

    Ester

     Propellants

     

    4 2 Nitrate Ester Propellant Ignition 

    at

     

    Atmospheric 

    Pressure

     

    5

     

    9

     

    Nitrate

     

    Ester

     

    Propellant

     

    Ignition

     

    at

     

    Atmospheric 

    Pressure

     

    6

     

    omposite Propellant

     

    Ignition by

     

    Convection

     

    in a

     

    Shock  Tunnel 

    7 Composite Propellant Ignition' 

    in

      a Radiation

     

     

    Furnace 

    _•.

     

    . .

    ■ 

    8

     

    omposite Propellant Ignition

     

    by   Convection

     

    in

     

    a Shock

     

    T u n n e l - '  . -   .  * . ,

     

    9

     . '

      Composite and Nitrate Ester Propellant

     

    Ignition

     

    Data

     

    from

     End.Wall

     

    Shock Tube

     

    Tests 

    10

     

    omposite

     

    a n d '

     

    Nitrate   . - E s t e r

     

    Propellant 

    Ignition

     

    Data,

     

    End Wall

     

    Shock

     

    Tube Tests 

    11

     gnition  of-Composite 

    Propellants by

     

    Means of

     

    Radiant

     

    Heat

     

    Flux 

    12

     Ignition of

     

    Composite

     

    Propellants by  Means of

     

    Radiant

     

    Heat

     Flux

     

    1 3 gnition

     

    of  Composite Propellants

     

    by   Means of

     

    Radiant

     

    Energy

     

    14

     gnition of  Composite Propellants by  Means of 

    Radiant

     

    Heat Flux

     

    1 5

     

    gnition 

    Rocket 

    Motor Experiments 

    on

     

    Composite 

    Propellants 

    1 6

     gnition Rocket

     

    Motor

     

    Experiments on

     Composite 

    Propellants 

    Xll 

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    18/252

    LIST

     

    OF

     

    FIGURES 

    FOR  PART

     

    II-contd. 

    FIGURE 

    1 7

     gnition

     

    Rocket Motor

     Experiments

     

    on

     Composite 

    Propellants 

    1 8

     

    ave

     

    Diagram

     

    1 9

     . , versus

     

    M

     

    ctual and

     

    Theoretical 

    41

     

    s

     

    2 0 ersus

     

    X^ 

    2 1

     

    T

     

    versus

     X^

     

    „ „

     

    theo

     

    .

     

    2 2

     

    . ,

     

    versus

     

    M

     

    41

     

    2 3

     

    , - - . and T  versus 

    X^

     

    2 4

     mplifiers, Schematic Diagram 

    2 5 nstrumentation 

    Schematic 

    2 6 upersonic Nozzle 

    2 7 upersonic

     

    Nozzle 

    2 8

     

    upersonic

     Model Viewed Through Test Section 

    2 9

     

    verall

     

    View

     

    of

     

    Test 

    Section

     

    3 0

     

    upersonic

     Flow,

     100%  0 - , 

    Hemisphere

     Cylinder Model 

    3 1 

     Wedge 

    in

     

    100%

      0  Supersonic

     Flow

     

    3   2

     

    5

     

    edge in 

    Air,

     Supersonic

     

    Flow 

    3 3

     

    5 edge 

    in 

    N  Supersonic

     

    Flow 

    3 4 

    abulation

     

    of

     

    Propellant

     and 

    Fuel

     

    Formulations

     

    3 5 ypical

     

    Film Record 

    of

     

    Subsonic Flow  Ignition  Tests 

    3 5

     

    ubsonic

     

    Flow

     

    Ignition

     

    Test Results

     

    3 7

     

    cale Schematic

     

    of

     

    Subsonic

     

    Nozzle 

    3 8 

    ubsonic

     Model Mold

     

    xm

     

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    19/252

    LIST OF  FIGURES 

    FOR

    PART

     

    II-contd.

     

    FIGURE 

    39 ounted, Subsonic Flow Sample 

    40 

    hin

     

    Film Instrumented

     

    Model 

    for

     

    Surface

     

    Temperature  Measurements 

    41 ypical Voltage 

    Trace 

    versus Time,

     

    Surface 

    Temperature Measurements 

    42 emperature

     Ratio

     versus at the Interface 

    Between

     

    Gas-Slab,

     

    and

     

    Semi-Infinite

     

    Solid

     

    43

     

    emperature History of Gas-Solid Interface 

    44 oated Samples

     

    Mounted in

     

    Vacuum

     

    Evaporator 

    xiv 

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    20/252

    TABLE

     

    O F   SYMBOLS 

    A

      dimensionless 

    constant

     characteristic

     of

     

    . ,

     

    oxidizer  consumption; 

    n/fh*

     

    i n

     

    c a s e   I , ( - ^ = ~ = r )

      f b r   C

    B  dimensionless

     

    constant characteristic  of 

    heat generation;

     

    [VLj?) case

      I , 

    ( 2 | - -

    7

    =~=  )

      f o r

      Case

     

    I I

    c

     

    pecific 

    heat

     

    of

     

    solid 

    c  specific heat 

    of

      g a s  

    .  P 

    C

    F

      • 

    fuel'concentration

      i n

     

    gas

      phase 

    ;

    .. •••

     

    o  ....••  *

    . C _

     

    ' . - / . « f u e l   concentration  a t

     

    surface 

    of

     

    condensed

     phase 

    C ^

      ,   . • •  •   oxidizer  «concentration i n  

    gas

      phase 

    ' •

     •.'*•' .

     

    ..

      :   C  '

    • • initial-value 

    o f . ' . C

     

    • 

    ox

     : * : •   . . /V  . •

     

    , • . . 

    0

    ^.:.

     

    D -

      •  „ ' . - m a s s d i f f u s i o n ,  coefficient 

    E

     

    ' . •

     

    4

     

    a c t i v a t i o r i

    -

    -energy:or-voltage. 

     

    •..••.• .: •« 

    . ••.-;• 

    •..' 

    f   ( C

     

    )   • •  any   s p e c i f i e d - f u n c t i o n ' o f - .   C  orbits spatial 

    ,  gradient 

    •'•'_;

      • • . • •

     

    h  convectiye  h e a t

    transfer.-coefficient

     

    H , 

    c h a r a c t e r i s t i c . ' t i m e

     of homogeneous

     

    induction period 

    H«  characteristic'time . o f  

    heat 

    exchange 

    i n

      a 

    homogeneous system

      . 

    L   haracteristic length 

    Le

     

    ewis n u m b e r ,

     D / o c  

    L  p  functional  representation of

     

    ignition

     

    criterion

     

    m5 ass f l u x   o f fuel from  surface

     

    of  condensed phase 

    n toichiometric

     

    ratio  or

     

    surface 

    reaction

      order 

    q

     

    eat

     

    transfer

     

    rate

     

    or

     

    heat

     

    flux

     

    q

    R

     

    eat

     

    of  reaction 

    q

     

    eat

     

    of  reaction per mole  of oxidizer 

    P

     

    ressure

     

    xv

     

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    21/252

    TABLE  OF SYMBOLS-contd. 

    R

     

    niversal

     

    gas

     

    constant

     

    S

     

    urface

     area 

    T

     

    emperature 

    V

     

    olume

     

    t

     

    ime

     

    t . 

    gnition

     delay time 

    y ole

     fraction

     of reactant

     

    in gas phase 

    y „

     

    ole

     

    fraction

     

    of fuel

     at

     

    surface of

     

    condensed

     

    phase 

    y

    00

     

    nitial

     mole

     

    fraction of oxidizef'  in gas phase 

    o <

     

    hermal 

    diffusivity,

     dimensionless

     

    number, 

    temperature

     

    coefficient

     

    of resistivity 

    0 <

    L

     alue

     of

     empirical ratio,

    :

     

    from

     

    B .

     

    L .

     

    H i c l c s 

    1 9 ) : . _ 

    /S imensionless

     number

      .  ' .  : . / 

    '

     

    •   _ 

    ö imensionless. 

    number,

     

    ratio

     of  gas speci-fic  heats 

    v imensionless

     

    number'- 

    .

     

    _ •

      ■ 

    ' . *

     

    %  imensionless fuel concentration''

     

    . '

      .

     

    ^QX

     

    imensionless oxidizer

     

    concentration 

    P

     

    imensionless temperature,'

     

    ^ - ^ '

    :

    Wf

     or-

     ' 

    T-7üoii)/%  

    r

     hermal

     

    conductivity

     

    /* iscosity 

    /

     

    imensionless 

    distance 

    f

     

    e n s i t y 

    w

     

    imensionless

     

    number 

    t

     

    imensionless

     

    time 

    L

     

    imensionless ignition

     delay 

    Y^ imensionless function, 

    xvi 

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    22/252

    TABLE

     

    OF

     

    SYMBOLS-contd. 

    Subscripts

     

    I

     

    or

     II

     

    reference 

    to 

    case

     I

     

    or

     

    case II 

    initial state 

    F

     

    fuel, solid or 

    gas 

    g a s

     

    propelIant

     

    solid or surface 

    i g n 

    ignition 

    XVI1

     

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    23/252

    CHAPTER

      1-1

     

    DISCUSSION

     

    OF PREVIOUS

     

    IGNITION  STUDIES 

    A ,

     

    INTRODUCTION 

    The 

    ignition 

    of

     energetic

     

    chemical 

    reactants

     i s 

    a

     

    critical part 

    of

      any system in which combustion 

    i s

     

    a

     necessary 

    part of its operation.  In such a 

    system, 

    the reactants to

     

    be 

    ignited

      may

    be present 

    as

     either a homogeneous mixture of 

    identical phases, or 

    a   heterogeneous  mixture

     

    of

     unlike phases. 

    From

     

    the

     

    standpoint of technological application, 

    i t i s

     

    clearly

     desirable

     

    to understand 

    the

     properties

     of

     

    ignition

     

    in

     

    both

     

    types

     

    of

     

    reactant

     

    mixtures.

     

    In

     the past,

     

    the

     

    ignition  of combustible mixtures 

    has 

    been 

    quite

     

    intensively studied

      by

     a large number of 

    investigators. 

    wo

     general classes 

    of

     combustible  mixtures 

    were

     

    studied

     

    and in each case 

    a

     

    variety  

    of

      experimental

     

    methods

     were

     used. hese two classes were those in

     

    which 

    both  reactants  were

     

    gaseous,

     and

     

    those 

    in which

     one of 

    the

     

    reactants  was a

     liquid, 

    hydrocarbon

     

    fuel.  brief review 

    of

     typical  experiments

     and 

    results 

    for

     

    each

      of these

     

    cases 

    i s given

     

    in a 

    later 

    section of 

    this

     chapter. 

    Now

     

    in  each

     class 

    of

     

    mixture,

     the 

    common manifestation

    of ignition

     

    was

     a 

    rapid acceleration 

    of

     

    the 

    chemical reaction 

    rate

     which  

    caused

     a

     sudden

     temperature

     increase 

    in the

     

    system. 

    Two

     

    alternative

     

    explanations

     

    for

     

    this

     

    accelerating

     

    chemical

     

    reaction 

    rate

     

    exist.

     

    The 

    first alternative i s

     the 

    control 

    of

     

    the 

    reaction rate

     through

     a predominance 

    of

     

    chain

     branching 

    over 

    chain breaking

     chemical reactions and subsequent 

    acceleration 

    of

    heat

     release. he other

     

    alternative

     

    i s that 

    the reaction rate i s governed  purely  by  the relative thermal 

    processes of heat 

    generation

     and

     

    heat

     

    loss,

     

    regardless of 

    the

     

    detailed

     form

     

    of

     the

     chemical

     

    reaction.  The former

     

    alternative  may

    be

     termed 

    "chain

     branching"

     

    explosion or 

    ignition; 

    in

     the

     

    latter alternative ignition i s

     

    considered 

    as

     being purely thermal in 

    nature,

     and arising out of a 

    favorable thermal unbalance

     

    in 

    the

     

    system.

     

    Having certain experimental results, then, one is 

    faced

     

    with 

    the 

    problem

     

    discerning

      which 

    of these alternatives 

    i s

     

    best supported

     

    by

     

    the

     

    data.

     

    In

     

    the case

     

    of

     

    "chain

     branching"

    ignition, the data persuades one to conclude 

    that

     the previous 

    history  of  the

     

    reaction 

    rate

     i s

     

    important

     in

     the 

    total

     ignition 

    process.  Consequently,

     

    the 

    experimental 

    data 

    i s  used

     

    in 

    the

     

    development

     of

      a

     

    detailed

     

    description

     of

     

    the chemical reactions 

    including

     

    the formation and propagation of

     

    free

     radicals

     

    and

     

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    24/252

    activated

     

    complexes.  It is

     

    only 

    recently,

     however,

     that

     

    adequate

     

    treatment

     

    of

     

    such

     

    formulations

     

    has been made possible 

    through

     the 

    advent 

    of

     high speed computing

     devices.

      On 

    the 

    other hand, the experimental data ma y indicate that

     

    the 

    ignition was

     purely

     

    thermal in 

    nature.

     

    It

     

    should be

     

    noted

     that

     

    the

     latter

     

    interpretation 

    of

     

    experimental

     data is based

     on

     the 

    previous theoretical 

    developments

     

    of the properties

     

    of thermal

     

    ignitions. n

    essential 

    feature of

     

    thermal

     

    ignition

     

    theory is

     

    the

     

    assumption 

    of

     a

     

    chemical

     reaction

     rate 

    represented

     by an 

    instantaneous 

    function of reactant 

    concentration

     and temperature. 

    Consequently, 

    the

     

    chemical reaction rate is 

    assumed

     to 

    be 

    independent

     of

     its

     previous

     

    history.

      Clearly, our 

    present 

    understanding

     

    of

     ignition

     processes has

     been 

    profoundly 

    influenced 

    by early theoretical

     

    ^nd

     

    experimental

     studies.

     

     • 

    Actually,

     the

     

    "ignition

     

    .of

     

    most,

     

    homogeneous-rand

     

    heterogeneous^-mixtures

     

    probably.involves

     

    a.combination 

    of

     

    chain 

    branching

     an d 

    breaking

     processes,

     

    an d thermal

     

    effects. 

     

    Even 

    so,

     

    the assumption o f *

     simple,  

    -one-step/chemical   .'reaction

     

    often

     

    constitutes an 

    adequate-dfescription

     o f .

     

    the.

     

    chemical 

    ' • 

    ' . 

    processes

     

    during

     ignition. Consequently, the 

    theoretical,

     

    description 

    of the

     properties 

    infierent-'in«  thermal -ignition. 

    '' 

    of combustible mixtures

     

    is

    <

      a

     fundamental area 

    of  present,  ;   . ,   ' • 

    an d past, investigations.

     

    *

    • ' * . . '''.'• 

    .'• 

    B.

     

    REVIEW

     OF

     EARLY

     

    THERMAL'IGNITION'.THEORY;,

      .  . ' • _ .  

    The

     

    basic,  concept:   o . f thermal.^ignition was 

    developed

     

    •  

    by

     

    van

     

    t

     

    Hof

     

    f

     

    (1.

     

    1 ' ) • ,

     

    . - w h o

     

    .defined«

     

    this,

     

    type'ldf'ignition-as;.

     

    v

    '

     

    the impossibility-of

     

    thermal

     equilibrium,  being 

    established . ' • ' •   ' • 

    between

     a reacting

     

    system and-its

    1

    s

    urroundings.•

     

    Le

     

    Chatelier

      '  • 

    (1.2)

     

    qualitatively

     

    formulated t h i s , conditiori/'as;  a -  contact-• 

    between

     the

     curve'of heat

     

    generation an d

     

    the

    ;

    -str

    aight line

     

    • 

    of heat

     

    I ' o s s . -

     

    • ; • 

    • * '

      . • .  • ' .  

    . • '  

    • • 

    ' • •

      ' .

     

    Quantitative

     

    formulation

     of  

    .thermal-;  

    ignition was

     

    first done

     

    for 

    a homogeneous

     

    .mixture confined

     

    in a

     

    reaction' 

    vessel

     

    in order 

    to

     

    determine 

    the 

    characteristic

     

    behavior 

    of

     

    such

     

    a system.

     

    Thus, : i t is-.°informative'   to determine critical 

    explosion

     conditions

     in 

    terms 

    of vessel  ' s i z e , pressure, an d 

    initial 

    temperature. 

    In

     

    this 

    case,'one"wishes

     to

     know

     

    what 

    steady, or 

    stationary,

     states

     

    can be 

    tolerated

     

    by

     the 

    mixture.

     

    Secondly, one may wish

     

    to

     determine

     

    the induction 

    period 

    of

     

    the

     

    explosion

     

    an d

     its

     

    dependence

     

    on

     

    the

     

    mixture's

     

    initial

     

    conditions.  The

     theoretical

     description 

    of

     this

     

    case requires 

    formulation 

    and

     

    solution of the

     

    transient,

     

    or

     nonstationary, 

    behavior 

    of

     the 

    confined

     mixture. 

    The

     following two

     

    sections 

    provide

     a 

    brief

     

    review

     

    of the

     

    early

     theoretical developments

     

    describing these

     

    two 

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    25/252

    • .

     

    «

     

    •  

      •

     ' 

    cases.

     

    These developments

     provide

     

    the 

    basic

     understanding

     

    of thermal ignition 

    which

     i s essential 

    for

     the developments 

    in 

    thermal

     

    ignition

     

    theory

     

    which

     follow

     

    in the next

     

    chapter.

     

    1 .

     

    Stationary  Theory   of   Thermal Ignition 

    The theoretical

     

    development 

    for

     determination 

    of the

     limiting

     or 

    critical stationary

     

    state

     for a

     confined 

    homogeneous 

    mixture

     

    has

     

    been 

    done 

    by  

    Semenov

     (1.3 

    and 

    others.  Recently, limitations and

     

    extension of the early 

    developments

     of

     this

     case were

     discussed

     

    in 

    references

     

    ( 1 . 4 ) 

    and

     

    ( 1 . 5 ) . 

    In the stationary

     

    theory  of thermal

     

    explosion,

     

    one 

    assumes 

    that

     

    the heat generated

      by

     

    chemical reaction i s  

    continuously

     

    distributed

     

    throughout 

    the

     reactant

     

    mixture. 

    Heat

     

    loss

     

    i s

     

    assumed

     to take

     

    place

     

    by

     

    conduction

     

    t o

     the

     

    vessel  walls which are maintained 

    at

     a

     

    constant•temperature.  

    Because

     

    all 

    possible 

    states of

     the

     reactant mixture up

     to

     

    the

     

    conditions

     

    of

      explosion

     are

     assumed 

    to

     

    be 

    stationary, 

    the time 

    derivative of

     

    the

     temperature' 

    i s

     equal

    to zero.

     

    It i s further

     assumed

     

    that 

    the

     temperature

     

    rise

     

    a t -

      the

     

    .

      critical

     

    conditions

     for 

    explosion

     i s

    'small'compared

     

    to

     

    the 

    . ' •

      .  • '  

     initial

     temperature of the

     

    mixture; 

    This assumption 

    allows- '

    [  _ • . ' "approximation

     o f .

      the exponential term 

    . i n the"-chemical

     reaction

    • . * ; ' . ' ' .

    - •

     

    rate,

     

    term/ simplifying 

    the final 

    ' d i f f e r ' e n t ' i a l ^ e q u a t i o n .  The'

     

    j . '

     

    •   •  

    _

      . m o s t important  

    . . c o n s e q u e n c e

     

    of

     this apprpximation  

    . i s .

     that 

    all

     

    1

     \ 

    • 

    . '

     «the

     physical 

    parameters

     of 

    the-system 

    can 

    be

     

    grouped,  

    into

     

    . . • . . '

      • _

      one  

    c o n s t a n t , 

      ', '

     

    appearing

     only

      in'the

     differential

     

    • 

    equation.

      .  •  , 

    '.•..■

    '.'•'

      . v- 

    "-.

     

    '•'

     '.  

    The constant,"  )  characterizes

     

    t h e '   solution;of

     

    the

     

    different

    equation 

    in

     that 

    for

     some

     critical value'of

      < S 

    stationary 

    state

     cannot exist and explosion  will occur.

     

    This method i s  

    quite accurate

     in its

     

    prediction

     of

     the

     critical

     

    conditions 

    for

     explosion as

     a function of

     

    vessel wall

     

    temperature,

     

    pressur

    and vessel 

    size,

     

    see

     reference

     

    (1.6).  The effect 

    of

     free

     

    convection 

    in the

     

    mixture

     have

     

    been 

    ignored, 

    but

     

    under

     

    normal 

    experimental

     situations

     

    this 

    effect

     

    can  be

     neglected 

    justifiab

    2 .

     

    Nonstationary 

    Theory

     of  

    Thermal

     Ignition 

    In

     the nonstationary

     theory  developed 

    by

     

    Todes

     

    (1,7), Rice

     

    (1 . 8) and Frank-Kamenetskii (1.6), one deals

     

    with the reaction

     

    vessel a s a whole, 

    assuming

     

    that

     the

     

    temperature i s uniform 

    over

     

    all  points 

    in 

    the vessel.

     

    Under

     

    conditions

     

    in

      which explosion i s imminent, 

    heat

     conduction

     

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    26/252

    within

     the

     

    mixture

     

    is ignored, an

     assumption

     which is 

    equivalent 

    to 

    replacing

     

    all

     

    temperature

     dependent quantities 

    by

     

    their

     

    value

     at

     

    some

     

    mean

     

    temperature.

     

    It

     

    is 

    tacitly

     

    assumed, then, that the reactant mixture remains

     well 

    mixed, 

    an d

     

    always homogeneous. 

    Errors introduced

     

    by  these assumptions, however, 

    are

     

    relatively

     

    minor 

    compared

     to the assumptions

     

    that density 

    is independent

     

    of

     temperature an d 

    that

     the 

    chemical

     reaction 

    can

     be approximated by  an Arrhenius rate term.  Pragmatically, 

    however, the two assumptions

     

    just 

    mentioned

     are justifiable 

    in the sense that their

     

    use in theoretical developments of 

    steady

     state

     gaseous flames 

    ha s

     produced

     

    reasonably

     

    correct

     

    results.

     

    Under

     

    all 

    the

     above

     

    assumptions, one

     then

     

    considers

     

    the

     time

     

    rate

     

    of

     

    change

     

    of

     

    temperature inside

     a

     

    vessel

     

    containing

     

    homogeneous 

    reactant

     mixture. he competing

     

    processes

     in

     

    this

     

    case 

    are

     

    chemical heat

     generation, 

    reactant

     consumption,  

    an d heat transfer 

    to

     

    the

     walls of the vessel.  It has been 

    normally assumed the chemical reaction does no t deplete the 

    concentration

     of either/any  reactant

     during the induction 

    period 

    because the 

    total

     temperature

     

    rise during

     

    the induction 

    period is taken 

    to 

    be small compared 

    to

     the initial temperature. 

    Consequently,

     

    the Semenov approximation of

     the

     temperature 

    dependent exponential term of the Arrhenius

     

    function ha s 

    been

     

    made.

      Heat loss 

    to

     the vessel walls is assumed 

    to take

     place 

    through

     Newtonian

     cooling. 

    After suitable 

    nondimensionalization

     of

     

    the 

    temperature, 

    the 

    nonstationary

     

    behavior

     

    of

     

    the

     

    reaction

     

    vessel

     

    is

     

    characterized

     

    by

     

    the 

    two

     

    dimensionless groups contained

     in 

    the

     following differential equation.  On e should note that 

    the reaction 

    vessel

     is 

    assumed

     to have 

    a surface

     area 

    and

     

    volume of 

    an

    respectively,

     an d

     that 

    the

     

    heat

     transfer 

    coefficient between the mixture an d the vessel

     

    walls 

    is

     

    defined as

     

    >

     

    .

     

    Other symbols are standard,

     

    and their

     

    definitions ma y be found in the Table of Symbols. 

    where aP

     

    V .

    c

    Y

    0

    ?

    &

     

    £

    /Z

    r

    °> -

     

    H ,

     

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    27/252

    The group, i

     

    ,

     

    may be termed the 

    characteristic

     time of 

    the chemical induction 

    period; 

    £

     s the 

    characteristic

     

    time

     

    of

     

    heat exchange 

    in

     

    the

     

    system.

     

    The

     form 

    of

     the 

    solution

     of [ 1 ]

     

    above, 

    i s

     

    *~f(i'%)

     

    [2 ]

     

    where

      n may  

    be

     chosen to be either

     

    t or  Hg).  It 

    i s

     clear 

    from this

     

    formulation that 

    the

     ratio

     

    (H1/H5,

      )

     

    completely   determines 

    the 

    form  of 

    the

     solution

     

    [ 2 ] . 

    Often the vessel i s considered adiabatic, or 

    the

     

    time of   heat exchange i s long compared 

    to

     

    the

     induction  period.

    In either 

    case,

     the right hand term  of equation 

    [ 1 ]

     

    can  be 

    neglected, and 

    the 

    solution of the resulting equation i s  

    - 0 -

     W 

    [ 3 ] 

    Well into the ignition 

    range,

     equation 

    [ 3 ] 

    will be 

    valid;

     

    however, 

    near

     the ignition limit,

     

    ft, 

    and

     / ^ sre equally 

    important.

     

    It

     should

     

    be 

    noted

     that

     at

     

    some

     critical constant

     

    value

     of

     

    the

     

    ratio 

    Hi/^z)  there 

    will

     

    be

     

    sharp change

     in

     

    the

     

    form  of 

    equation [ 2 ] .

      When 

    iHi/Hz) 

    i s 

    much

     greater than 

    its

     critical value, the 

    real

     induction delay  which 

    i s

     

    necessary

    for ( 9 o reach some 

    value 

    *

     

    depends upon the 

    pressure

     

    or

     

    initial concentration  of either reactant in the 

    manner

     

    shown

     

    below. 

    1 Ö  

    ^  

    INDUCTION

    4

    where

     

    -  pressure,

     

    /  or

     

    Y z  .  The dependence of 

    on

     

    temperature

     and 

    activation

     

    energy

     

    i s

     

    [ 5 ]

     

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    28/252

    Note

     that the criterion selected

     

    to define explosion

     

    or 

    ignition does not 

    affect

     

    the

     

    induction delay's dependence 

    on

     

    the

     

    physical

     

    parameters

     

    of

     the

     

    system

     

    as

     

    shown 

    in

     

    equations 

    4 ]

     and

     [ 5 ]

     above.

     

    One

     

    should 

    note 

    that

     

    the

     

    above

     

    results

     

    are 

    commonly accepted as defining thermal ignition or explosion. 

    Experimental 

    results 

    which follow

     the predictions

     of

     

    equations 4 ] an d [ 5 ] are often used as 

    proof

     

    that

     

    the

     

    reaction mechanism

     

    was thermal. f the results of experiments 

    did

     

    not 

    follow

     

    these

     patterns, t was

     often concluded 

    that

     

    the 

    ignition or explosion initiation was 

    not

     governed by thermal 

    processes. 

    However, when

     the

     ratio of

     characteristic times, 

    \H\/ni)  is

     

    not greatly

     

    larger

     

    than the

     critical 

    value, 

    equations

     

    4 ]

     

    and

     

    [ 5 ]

     

    are

     

    no

     

    longer 

    true.

     

    In

     

    addition,

     

    it

     

     

    is entirely   possible 

    that

     one of the reactants is consumed as 

    the

     ignition

     or explosion 

    progresses. 

    Consequently, one 

    m u . s t

     

    re-examine the formulation of 

    the

     nonstationary 

    thermal

     theory, 

    as

     

    is done

     

    in

     

    Chapter

     

    1-2.

    '  

    Recently, the

     

    thermal theory of' ignition

     

    for_ 

    -

     

    quiescent,

     gaseous

     homogeneous systems 

    has

     been

     

    extended t o -

     

    . ' ' 

    ignition in

     

    flowing

     

    systems by 

    Khitrin

     an d Goldiiberg (1.   9 )  

    V

     

    They examined 

    the

     critical

     characteristics of flammability 

    including concentration 

    limits

     

    and

     their

     

    dependence

     on

      pressure 

    an d initial temperature, limit burning velocities,

     

    an d flame 

    front

     stabilization criteria.  Khitrin 

    (1.10)

     discussed'the.

     

    • 

    consequences of the thermal theory,of homogeneous mixture 

    ignition

     

    in

     

    a

     fast,.laminar

     

    or turbulent 

    flow

    past

     heated 

    wall

     or 

    planar

     body.

     

    The 

    ignition

     

    by

     

    heated,

     bluff 

    bodies

     

    '\

     

    .

     

    could 

    not

     be treated except in 

    the

     case of an ellipse which

    i

     

    /.. 

    approached 

    a

     planar body.  Ignition 

    delays,

     as.functionally"  ,  

    related to

     

    temperature, pressure,

     

    an d oxidizer'concentration  . ' •

     

    were

     not

     

    discussed because.stationary

     state,

     

    theory

     was used. 

    . .

     

    •  .

     

    Toong,

     reference (1.11), has'presented

     

    ä

    '

    theory' 

    fo r the steady 

    state

     ignition 

    an d

     combustion 

    of 

    a homogeneous 

    mixture flowing

     

    over 

    a

     heated flat

     

    plate.

     

     A

     

    second

     order, 

    thermally controlled chemical

      'reaction

     

    wa s

     assumed. 

    The

     

    necessary

     

    wall

     to

     

    free stream

     temperature 

    ratio

     

    for 

    establishment 

    of a flame wa s

     calculated 

    fo r

     variations

     

    in

     pressure, 

    plate

     

    length,

     

    free

     stream velocity, and 

    free

     stream temperature. 

    Reasonable agreement between theory and experiment 

    was

     obtained; 

    however,

     

    th e 

    results

     

    of

     

    this

     

    theory

     

    ar e 

    difficult

     

    to

     compare

     

    with those of 

    a

     transient analysis of

     

    homogenous mixture 

    ignition.

     

    In 1955, reference (1.12), Marble an d Adamson 

    presented a

     

    theoretical treatment of the steady, constant 

    pressure combustion of a

     

    flowing, homogeneous mixture.  They 

  • 8/20/2019 Ignition of the Reaction Field Solid Propellant

    29/252

    considered

     

    two parallel

     flows, one

     of 

    high temperature 

    combustion 

    products an d 

    the

     

    other

     of

     a

     

    premixed

     combustible, 

    and

     

    the

     

    development

     

    of

     

    ignition

     as

     

    the

     

    separate

     

    flows

     

    mixed;

     

    a perturbation analysis of the pertinent equations wa s 

    made.

     

    Th e 

    dependence

     of 

    ignidon

     of the stream  was 

    noticed

     

    in

     this 

    treatment, 

    but

     the 

    effect 

    was 

    not 

    considered

     

    important; 

    consequently no

     

    investigation 

    of 

    this

     

    point

     

    wa s

     

    undertaken.

     

    Dooley, in

     (1.13), 

    treated 

    the

     case

     

    of initially

     

    unmixed, different temperature reactants in

     parallel

     flow; 

    after

     mixing by diffusion,

     ignition

     

    and 

    steady

     

    combustion

     

    ensued. he analytical treatment of this case of 

    heterogeneou

    combustion

     was treated by a perturbation analysis similar to 

    that of (1.12). 

    gain,

     

    the problem of

     

    ignition definition

     

    wa s noted, but remained

     

    univestigated. 

    A nonstationary

     treatment 

    of 

    thermal ignition 

    was treated recently

     by 

    Thomas (1.4

     

    including the 

    consumptio

    of on e reactant by an 

    n

    t

     

    order

     

    reaction

     during the induction

     

    period. 

    B y

     employing 

    the

     quadratic

     approximation

     to 

    the 

    exponential reaction

     

    rate 

    term,

     

    analytic

     solutions were 

    obtained

     

    for

     

    several

     interesting 

    cases.

     

    he use

     

    of 

    this 

    approximation,

     however,

     

    limits 

    the

     

    applicability 

    of

     

    his 

    treatment 

    to

     cases in which

     the

     temperature 

    rise at explosion 

    is less than 10 0 . 

    Primary

     emphasis wa s 

    placed

     on the 

    behavior 

    of the system just above its critical condition, 

    and

     

    the effect of

     

    reactant consumption on this condition and

     

    on

     the

     induction 

    period. 

    In

     reference 

    (1.5

     ) , the ignition of 

    ammonium

     

    perchlorate

     an d 

    cuprous

     

    oxide

     by simple

     

    self-heating

     wa s

     

    treated

     

    by

     

    nonstationary

     

    thermal

     theory.

     

    hrough

     

    the

     

    use

     

    of

     

    an 

    effective

     

    heat 

    transfer

     

    coefficient characterizing

     the 

    system's heat loss, reasonable agreement 

    between

     

    theory

     and 

    experiment

     wa s

     

    obtained.

      The

     work of Thomas,

     above, was 

    used

     

    to justify

     

    the 

    assumption

     of 

    uniform 

    temperature 

    in

     the 

    reacting system, 

    during

     the ignition 

    delay

     

    necessary

     to reach 

    a chosen 

    temperature.

     

    A theoretical treatment of spark ignition has 

    been

     

    presented by  Jost (1.14) where the spark  wa s represented 

    by a point 

    source 

    of

     

    energy

     in

     a homogeneous, combustible

     

    mixture. 

    Under

     the assumptions of

     a

     threshold source energy  

    value, 

    quasi-steady

     state after some specified time p up