Interrupted-Burning Tests of Plasma-Ignited JA2 and M30 Grains in a Closed Chamber

Enhanced burning of plasma-ignited propellants has been deduced in recent years from closed bomb pressure traces. The question remains, however, whether the enhanced burning is inherent or possibly the result of propellant grain fracture. To find out, interrupted and non-interrupted burning tests were conducted with cylindrical perforated grains of JA2 and M30 in a closed bomb with a loading density of approximately 0.2 g/cm3. Both, conventional black powder and plasma igniters were used, and a few tests were carried out with the propellants cooled to −20 °C. The plasma igniter was an ablating capillary, and the electrical energy density was about 0.7 kJ/g of propellant. The diameters of the collected grains yielded the actual burn distance at the time of the interrupted burning. The experimental pressure traces and the conventional burn rate coefficients of the propellants were used to calculate the theoretical depth burned assuming no plasma-induced burn rate modifications. From overlapping pressure traces at several interrupted pressures, and from comparison to the calculated versus measured burn distances, it was found that there is burn rate enhancement during the plasma pulse–but not much once the pulse has ended. In contrast to the JA2 burn rates, both ambient and cold M30 burn rates, deduced from the non-interrupted tests using the BRLCB code, were enhanced even after the plasma turn-off, thus contradicting the interrupted-tests results. However, vivacity analysis of the non-interrupted tests indicated that the M30 grains exhibited increased surface area (possible fragmentation) because of the plasma interaction–an effect that would cause erroneous results from the BRLCB. Indeed, simulation of the non-interrupted M30 tests using the XNOVAKTC code, and assuming partial fragmentation of the propellant charge, yielded vivacities that mimicked the experimental ones. Untersuchung der Abbrandunterbrechung von plasmaangezundeten JA2- und M30-Treibladungspulvern in einer geschlossenen Bombe Eine Abbrandbeschleunigung von plasmaangezundeten Treibstoffen wurde in den letzten Jahren aus Druckkurven von geschlossenen Bombenversuchen abgeleitet. Jedoch bleibt die Frage, ob der beschleunigte Abbrand tatsachlich erfolgt ist oder moglicherweise als Folge einer Fragmentierung von Treibladungskornern vorgetauscht wird. Um die Antwort zu finden, wurden Abbranduntersuchungen mit zylindrischen, perforierten Treibladungskornern von JA2 und M30 mit und ohne Unterbrechung in einer geschlossenen Bombe bei einer Ladedichte von annahernd 0.2 g/cm3 durchgefuhrt. Es wurden sowohl konventionelle Schwarzpulveranzunder als auch Plasmaanzunder verwendet, wobei einige Tests auch mit Treibstoffen stattfanden die auf −20 °C gekuhlt wurden. Der Plasmaanzunder bestand aus einer ablatierenden Kapillare bei einer elektrischen Energiedichte von 0.7 kJ/g bezuglich des Treibladungspulvers. Der Durchmesser der aufgesammelten Treibladungskorner ergab die aktuelle Abbrandstrecke zur Zeit der Abbrandunterbrechung. Die experimentellen Druckkurven und die konventionellen Abbrandkoeffizienten der Treibladungspulver wurden benutzt, um die theoretische Abbrandtiefe zu bestimmen, wobei angenommen wurde, das keine plasmainduzierte Beeinflussung auftrat. Aus den uberlappenden Druckkurven bei verschiedenen Unterbrechungsdrucken und aus einem Vergleich der berechneten und gemessenen Abbranddistanzen ging hervor, das eine Abbrandbeschleunigung wahrend des Plasmapulses stattfindet, aber kaum eine nach Pulsende. Im Gegensatz zu den JA2-Abbrandraten waren bei M30 sowohl die Raumtemperatur- wie auch die Tieftemperatur-Abbrandraten sogar nach der Plasmaabschaltung erhoht, was von den nicht unterbrochenen Versuchen bei Benutzung des BRLCB-Codes abgeleitet wurde. Dies widerspricht den Ergebnissen der unterbrochenen Versuche. Jedoch deutete die Lebhaftigkeitsanalyse darauf hin, das die M30-Korner wegen der Plasmaeinwirkung eine erhohte Oberflache (moglicherweise durch Fragmentierung) aufwiesen–ein Effekt der beim BRLCB-Code zu falschen Ergebnissen fuhren wurde. Tatsachlich ergab eine Simulation der nicht unterbrochenen M30-Tests Lebhaftigkeiten, die die experimentellen Werte nachbildeten, wenn mit dem XNOVAKTC-Code und der Annahme einer teilweisen Fragmentierung der Treibladung gearbeitet wurde. Etude de l'interruption de la combustion de poudres propulsives JA2 et M30 allumee par plasma dans une bombe fermee Au cours des dernieres annees, les courbes de pression enregistrees lors d'essais en bombes fermees ont permis de mettre en evidence une acceleration de la combustion de propergols allumes par plasma. Il reste a savoir si la combustion acceleree est une propriete intrinseque ou une consequence possible de la fragmentation des grains de poudre propulsive. Pour repondre a cette question, on a effectue des essais de combustion interrompue et non interrompue dans une bombe manometrique avec des grains de poudres propulsives JA2 et M30 perfores cylindriques pour une densite de chargement d'env. 0,2 g/cm3. On a utilise des allumeurs a poudre noir conventionnels ainsi que des allumeurs plasma en effectuant egalement quelques essais avec des propergols refroidis a −20 °C. L'allumeur plasma etait compose d'une capillaire a ablation et la densite energetique electrique etait de 0.7 kJ/g de propergol. Le diametre des grains de poudre collectes a donne l'epaisseur reelle de la couche brualee au moment de l'interruption de la combustion. Les courbes de pression experimentales et les coefficients de combustion conventionnels des poudres propulsives ont ete utilises pour determiner les profondeurs de combustion theoriques en ne supposant aucune influence induite par le plasma. La superposition des differentes courbes de pression pour differentes pressions d'interruption et une comparaison des distances des epaisseurs de couches brualees calculees et mesurees ont montre qu'une acceleration de la combustion avait lieu pendant l'impulsion due au plasma mais pratiquement pas apres la fin de l'impulsion. A la difference des vitesses de combustion du JA2, les vitesses de combustion du M30 a temperature ambiante ainsi qu'a basse temperature restaient inferieures meme apres l'interruption du plasma, ce qui a egalement pu etre deduit des essais non interrompus en utilisant le code BRLCB. Ces resultats contredisent ceux obtenus lors des essais interrompus. Mais l'analyse de la vivacite a cependant indique que les grains de M30 possedaient une surface accrue du fait de l'action du plasma (eventuellement fragmentation)–effet qui donnerait des resultats errones avec le code BRLCB. Effectivement, une simulation des tests M30 non interrompus a l'aide du code XNOVAKTC a donne des vivacites correspondant aux valeurs experimentales, en supposant une fragmentation partielle de la charge propulsive.