Characterisation of propellants for interior ballistic simulation
Date
2021-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Interior ballistics can be described as the field of gun propulsion that pertains to the combustion of
energetic material in the gun chamber to propel a projectile through the gun barrel. The
characterisation of gun propellants is required to provide input to the interior ballistic simulation
model. A closed vessel is commonly used to characterise gun propellants. The propellant is combusted
in a constant volume vessel and a pressure-time curve is the output of the test. From closed vessel
data, the propellant burning rate and thermochemical parameters (used to characterise the energy
output) can be determined. Thermochemical parameters can also be determined theoretically using
a thermodynamic equilibrium code.
Despite the methods available to characterise propellants, simulations are still dependent on multiple
fitting factors to achieve a good correlation between the simulated performance and experimental
data. The aim of this study is to reduce the dependence on fitting factors by refining the methodology
to characterise gun propellants.
Three different propellant types are experimentally evaluated in two different closed vessels of 100 cc
and 1500 cc. Internal pressure, strain and temperature on the outer wall of the closed vessel are
measured during the firings. Maximum pressures ranged between 112.2 MPa for load densities of 0.1
g/cc up to 262 MPa for load densities of 0.2 g/cc.
A burn rate model and a model simulating combustion in the closed vessel is developed based on the
standardised NATO methods for interior ballistic modelling, STANAG 4115 and STANAG 4367. The
following features are implemented into these simulation models for further evaluation:
Burn rate characterisation
Heat loss (proving to have the greatest effect on maximum pressure)
Closed vessel expansion and
Flame spread (proving to have the greatest effect on burn time)
Each ballistic property is evaluated individually to isolate their influence on combustion. Combustion
takes place in three distinct phases: a flame spread phase, a phase where all the grains are burning
and Vielle’s law is valid, and a phase were grains start to burn out.
Deriving the heat loss rate from measuring the outer wall temperature delivers an inconclusive result
due to the high thermal inertia of the closed vessel. A second method is tested by assuming that the
heat loss rate, after the maximum pressure is measured is similar to that during combustion and that
the pressure drop after peak pressure can be used to calculate heat loss during combustion. The heat
loss value calculated is lower than expected, possibly due to a lower temperature gradient between
the combusted gas and the inner wall. The best approximation of heat loss is to use the theoretical
and experimental pressure difference to determine a heat loss value. The differences between
experimental and calculated maximum pressures of 0.7 % is obtained after heat loss is accounted for
using this method. The different features described above are combined into a single model with heat loss as the main
contributor to improve predictions, delivering results that correlate within 0.09 %. Lastly, a
methodology is proposed to evaluate propellants with the purpose of characterisation for further
simulation work. Additional tests are recommended including performing firings at different loading
densities, measuring strain on the closed vessel outer wall and calculating thermochemistry values
with chemical analysis results of the specific propellant sample in question.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Interne ballistiek handel oor loopwapenaandrywing en die verbranding van energetiese materiaal in ‘n loopkamer, met die doel om ‘n projektiel in die geweerloop aan te dryf. Die karakterisering van geweer dryfmiddels word gedoen om insette te verkry vir gebruik in interne ballistiek simulasiemodelle. ‘n Drukbom word algemeen gebruik om geweer dryfmiddels te karakteriseer. Dryfmiddel word verbrand in ‘n hoëdruk houer (die drukbom) met ‘n vaste volume waarin die druk gemeet word, en die afvoer van die toets is ‘n druk-tyd kurwe. Die brandspoed en termochemiese parameters van die dryfmiddel kan bereken word vanaf drukbom data. ‘n Termochemiese ewewigskode kan ook gebruik word om die teoretiese termochemiese parameters te bereken. Ten spyte van die metodes beskikbaar om dryfmiddels te karakteriseer is simulasies steeds afhanklik van pas-faktore om ‘n goeie korrelasie tussen gesimuleerde en eksperimentele waardes te kry. Die doel van hierdie studie is om die behoefte aan pas-faktore te verminder deur die metodologie wat gebruik word om loopwapen dryfmiddels te karakteriseer te verfyn. Drie verskillende dryfmiddels word eksperimenteel geëvalueer in twee verskillende drukbomme van 100 cc en 1500 cc. Die interne druk, wandvervorming en temperatuur van die buitewand word gemeet tydens die vuringe. Die gemete drukke wissel tussen 112.2 MPa vir laaidigthede van 0.1 g/cc tot en met 262 Mpa vir laaidigthede van 0.2 g/cc. ‘n Brandspoed en ‘n drukbom model is ontwikkel volgens die gestandardiseerde NAVO metodes (STANAG 4115 en STANAG 4367). Dit dien as die basislyn vir die verdere ontwikkeling van: Brandspoed karakterisering Hitteverlies (wat die mees beduidende invloed het op maksimum druk) Drukbomuitsetting en Vlamverspreiding (wat die mees beduidende invloed het op brandtyd) Elke ballistiese eienskap word individueel geëvalueer om die invloed daarvan op verbranding te ondersoek. Verbranding vind plaas in drie duidelike stadiums: ‘n vlamverspreiding-fase, ‘n fase waar al die korrels bestendig brand, en ‘n fase waar die korrels begin uitbrand. ‘n Poging om die hitterverlies te bereken vanaf die gemete temperatuur op die buitewand van die drukbom het ‘n meerduidige resultaat gelewer weens die hoë termiese traagheid van die drukbom. ‘n Tweede metode is getoets, wat aanneem dat die hitteverliestempo net na piekdruk soortgelyk is aan diè tydens verbranding en dat die drukval net na piekdruk gebruik kan word om die hitteverlies tydens verbranding te bereken. Die waarde bereken is laer as verwag, waarskynlik omdat die temperatuurverskil tussen die verbrandingsprodukte en die binnewand van die drukbom relatief klein is. Die beste benadering is om die verskil tussen die eksperimentele en teoretiese piekdrukke te gebruik om die hitteverlies waarde te bepaal. Verskille van 0.7 % tussen die maksimum eksperimentele en berekende druk is bereken met hierdie metode. Die bogenoemde faktore/effekte is gekombineer in ‘n enkele model waar die hitteverlies die grootste bydrae lewer om die korrelasie tussen gemete en gesimuleerde waardes te verbeter tot 0.09 %. Die uitvloeisel is dat ‘n metodologie voorgestel word om dryfmiddels te evalueer vir simulasie doeleindes. Spesiale toetse wat voorgestel word sluit in om drukbomskote teen verskillende laaidigthede te skiet, om drukbomvervorming te meet en om die termochemie waardes te bereken vanaf ‘n chemiese analise van die spesifieke dryfmiddel ter sprake.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Interne ballistiek handel oor loopwapenaandrywing en die verbranding van energetiese materiaal in ‘n loopkamer, met die doel om ‘n projektiel in die geweerloop aan te dryf. Die karakterisering van geweer dryfmiddels word gedoen om insette te verkry vir gebruik in interne ballistiek simulasiemodelle. ‘n Drukbom word algemeen gebruik om geweer dryfmiddels te karakteriseer. Dryfmiddel word verbrand in ‘n hoëdruk houer (die drukbom) met ‘n vaste volume waarin die druk gemeet word, en die afvoer van die toets is ‘n druk-tyd kurwe. Die brandspoed en termochemiese parameters van die dryfmiddel kan bereken word vanaf drukbom data. ‘n Termochemiese ewewigskode kan ook gebruik word om die teoretiese termochemiese parameters te bereken. Ten spyte van die metodes beskikbaar om dryfmiddels te karakteriseer is simulasies steeds afhanklik van pas-faktore om ‘n goeie korrelasie tussen gesimuleerde en eksperimentele waardes te kry. Die doel van hierdie studie is om die behoefte aan pas-faktore te verminder deur die metodologie wat gebruik word om loopwapen dryfmiddels te karakteriseer te verfyn. Drie verskillende dryfmiddels word eksperimenteel geëvalueer in twee verskillende drukbomme van 100 cc en 1500 cc. Die interne druk, wandvervorming en temperatuur van die buitewand word gemeet tydens die vuringe. Die gemete drukke wissel tussen 112.2 MPa vir laaidigthede van 0.1 g/cc tot en met 262 Mpa vir laaidigthede van 0.2 g/cc. ‘n Brandspoed en ‘n drukbom model is ontwikkel volgens die gestandardiseerde NAVO metodes (STANAG 4115 en STANAG 4367). Dit dien as die basislyn vir die verdere ontwikkeling van: Brandspoed karakterisering Hitteverlies (wat die mees beduidende invloed het op maksimum druk) Drukbomuitsetting en Vlamverspreiding (wat die mees beduidende invloed het op brandtyd) Elke ballistiese eienskap word individueel geëvalueer om die invloed daarvan op verbranding te ondersoek. Verbranding vind plaas in drie duidelike stadiums: ‘n vlamverspreiding-fase, ‘n fase waar al die korrels bestendig brand, en ‘n fase waar die korrels begin uitbrand. ‘n Poging om die hitterverlies te bereken vanaf die gemete temperatuur op die buitewand van die drukbom het ‘n meerduidige resultaat gelewer weens die hoë termiese traagheid van die drukbom. ‘n Tweede metode is getoets, wat aanneem dat die hitteverliestempo net na piekdruk soortgelyk is aan diè tydens verbranding en dat die drukval net na piekdruk gebruik kan word om die hitteverlies tydens verbranding te bereken. Die waarde bereken is laer as verwag, waarskynlik omdat die temperatuurverskil tussen die verbrandingsprodukte en die binnewand van die drukbom relatief klein is. Die beste benadering is om die verskil tussen die eksperimentele en teoretiese piekdrukke te gebruik om die hitteverlies waarde te bepaal. Verskille van 0.7 % tussen die maksimum eksperimentele en berekende druk is bereken met hierdie metode. Die bogenoemde faktore/effekte is gekombineer in ‘n enkele model waar die hitteverlies die grootste bydrae lewer om die korrelasie tussen gemete en gesimuleerde waardes te verbeter tot 0.09 %. Die uitvloeisel is dat ‘n metodologie voorgestel word om dryfmiddels te evalueer vir simulasie doeleindes. Spesiale toetse wat voorgestel word sluit in om drukbomskote teen verskillende laaidigthede te skiet, om drukbomvervorming te meet en om die termochemie waardes te bereken vanaf ‘n chemiese analise van die spesifieke dryfmiddel ter sprake.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2021.
Keywords
Burn rate, UCTD, Interior ballistics, Propellants, Gun propellant, Ballistics -- Simulation