Forschung und Entwicklung von High-Performance Sprengstoffe

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Detonationsgeschwindigkeit und den Detonationsdruck für eine neuartige Sprengstoffformulierung unter Verwendung piezoelektrischer Stifte und eines photonischen Doppler-Velocimetriefensters zu bewerten. Dies wird erreicht, indem zunächst die piezoelektrischen Pins und ein photonisches Doppler-Velocimetrie-Fenster für das Testverfahren vorbereitet werden. Der zweite Schritt besteht darin, die explosiven Proben zu messen und in die bearbeiteten Acrylrohre zu laden.

Als nächstes wird der Zünder angebracht. Das Experiment wird in die geschlossene Prüfkammer gestellt und die Prüfladung gezündet. Der letzte Schritt ist das Sammeln und Analysieren der Ankunftszeit und der Druckdaten.

Letztendlich wurden kombinierte Detonationsgeschwindigkeits- und Detonationsdrucktests verwendet, um explosive Formulierungen zu charakterisieren und zu optimieren. Als Sprengstoffformulierer ist es uns nicht gestattet, mehrere Durchläufe und zerstörungsfreie Prüfungen durchzuführen. Daher ist eine genaue und wiederholbare Messung der Detonationsgeschwindigkeit und des Detonationsdrucks äußerst wichtig.

Hier demonstrieren die Sprengstoffingenieure Erik Wrobel und Rodger Cornell, wie sich Detonationsdruck und Detonationsgeschwindigkeit messen lassen. Der Hauptvorteil der photonischen Doppler-Velocimetrie ist die extrem genaue Messung des Detonationsdrucks. Bereiten Sie zunächst Bündel mit sechs BNC-Kabeln vor, die mit den piezoelektrischen Pins verwendet werden sollen.

Die Kabellängen sollten an die Geometrie des Prüfgeländes angepasst werden. Messen Sie nun mit einem hochpräzisen Messschieber den Durchmesser und die Länge der Testprobe und des Booster-Pellets. Die Prüfvorrichtungen können für Pellets jeder Größe bearbeitet werden.

Messen Sie auch die Massen der Pellets. Laden Sie nun die explosiven Kugeln nacheinander in die Kunststoffhalterung. Notieren Sie die Anzahl der geladenen Pellets und ihre Positionen in der Vorrichtung.

Laden Sie anschließend das Booster-Pellet von der Oberseite der Leuchte in das Rohr. Setze einen Zünderhalter aus Acryl auf die Booster-Kugel. Führen Sie nun die piezoelektrischen Stifte durch die Löcher und über die Länge der Kunststoffhalterung ein.

Befestigen Sie die Stifte mit einem fünfminütigen Epoxidharz. Nachdem das Epoxidharz ausgehärtet ist, positionieren Sie das Acrylrohr mit den explosiven Kugeln auf der Stahlplatte. Befestigen Sie die Prüfvorrichtung entweder mit einem Gewicht oder etwas Klebeband an der Stahlplatte.

Zwischen der letzten explosiven Kugel und der Stahlplatte sollte kein Luftspalt vorhanden sein. Als nächstes besprühen Sie die Kante der Prüfvorrichtung mit Epoxidharz, um sie an der Platte zu befestigen. Nachdem das Epoxidharz vollständig ausgehärtet ist, setzen Sie den Zünder in die Halterung ein und sichern Sie ihn mit Klebeband.

Transportieren Sie die Prüfvorrichtung in die Prüfkammer. Verbinden Sie dort die piezoelektrischen Pin-Kabel mit den Pins in der Kammer und mit einer BNC-Multiplexer-Box im Kameraraum. Verbinden Sie dann die Mux-Box mit einem Oszilloskop.

Eine Bandbreite von einem Gigahertz ist mehr als ausreichend. Verbinden Sie die Schusslinie mit dem Zünder. Befolgen Sie die lokalen Standardarbeitsanweisungen, und sperren Sie das Testgelände.

Verbinden Sie als Nächstes den Trigger aus dem Hochspannungs-Feuerset mit einem Kanal am Oszilloskop. Vergewissern Sie sich, dass die Auslöseschwelle drei Volt beträgt. Verbinden Sie dann die Summierbox mit einem zweiten Kanal am Oszilloskop.

Stellen Sie am Oszilloskop beide Kanäle auf fünf Volt pro Teilung und die Zeitbasis auf fünf Mikrosekunden pro Teilung ein. Stellen Sie die Verzögerung auf minus 20 Mikrosekunden ein. Führe nun, nachdem das hochenergetische Feuer gelegt ist, die Detonation aus.

Die Analyse der Daten wird im Textprotokoll behandelt. Beginnen Sie mit der Bearbeitung einer PMMA-Scheibe. Schneiden Sie die Scheibe aus einem Viertelzoll optisch durchsichtigen Blech aus gegossenem PMMA, um sicherzustellen, dass die Flächen der Scheibe frei von Unvollkommenheiten sind.

Passen Sie den Durchmesser der Scheibe an den Durchmesser des Sprengstoffs an. Überprüfen Sie nach der Bearbeitung die Flächen der Scheibe auf physikalische Defekte. Reinigen und polieren Sie kleine Defekte in der Oberfläche, um ihre optische Klarheit wiederherzustellen.

Bei großen Defekten, wie z. B. tiefen Kratzern oder Hohlräumen, entsorgen Sie die Disc und beginnen Sie von vorne. Kleben Sie nun sehr dünne Aluminiumfolie mit der diffusen Seite nach unten mit optisch klarem Klebeband auf die Scheibe. Glätten Sie die Folie auf der Scheibe, um Wellen oder Blasen zu entfernen.

Messen Sie wie beim vorherigen Verfahren die Durchmesser, Längen und Massen der explosiven Probenpellets. Aus diesen Probenpellets wird die Sprengladung gebildet. An jeder explosionsgefährdeten Grenzfläche ist ein Elastomer auf Silikonbasis aufzutragen, um die Bildung von Luftspalten zu minimieren.

Verwenden Sie ein Elastomer, das auf Verträglichkeit getestet wurde und keine chemische Reaktion ermöglicht. Montieren Sie nun die piezoelektrischen Pins der Ankunftszeit in eine Acrylhalterung. Befestigen Sie dann den geladenen Halter in der Nähe des unteren Teils der Ladung, um die stationäre Detonationsgeschwindigkeit zu erfassen.

Bevor Sie fortfahren, stellen Sie sicher, dass die Stifte des Halters parallel zur Achse des Sprengstücks verlaufen. Setzen Sie den Photodoppler-Velocimetrie-Test fort, indem Sie einen PDV-Sondenhalter aus Acryl an der freien Oberfläche des PMMA-Fensters befestigen. Führen Sie dann die PDV-Sonde in die Halterung ein und richten Sie sie mit einem Rückreflexionsmessgerät von einem Milliwatt auf die Aluminiumfolie aus.

Obwohl PMMA also etwa 90 % des Laserlichts durchlässt, mit dem wir arbeiten, ist die freie Oberfläche der Scheibe, mit der wir arbeiten, sehr spiegelnd. Wenn die Sonde, mit der wir arbeiten, perfekt auf diese freie Oberfläche ausgerichtet ist, erhalten wir tatsächlich einen sehr starken Rückreflexionspegel. Und wenn wir diesen Rückreflexionspegel aufgreifen und ihn mit dem Aluminium verwechseln, das wir betrachten, kann dies zu einer falschen Ausrichtung führen, und wir können am Ende viele der Daten übersehen, die wir zu erfassen versuchen.

Sobald Sie für eine optimale Rückreflexion ausgerichtet sind, setzen Sie die PDV-Sonde mit Epoxidharz auf. Befestigen Sie dann einen Booster und einen EBW-Zünder an der Ladung, um die Montage abzuschließen. Setzen Sie nun den Prüfling in die Kammer ein und verdrahten Sie die TOA-Pins und die PDV-Faser.

Verbinden Sie dann die Schusslinie mit dem RP-80-Zünder. Sichern Sie nun das Testgelände und führen Sie eine Gebietssperre durch. Stellen Sie sicher, dass alle Intralocks aktiviert sind und das gesamte Personal berücksichtigt wird.

Die letzte Vorbereitung besteht darin, das PDV-Signal und die Referenzleistungspegel zu überprüfen, um sicherzustellen, dass die gewünschte Schwebungsfrequenz erfasst wird. Zünde nun den Gegenstand mit dem Hochenergie-Feuerset. Speichern Sie die Oszilloskop-Traces sowohl für die PDV- als auch für die TOA-Daten.

Unter Verwendung des beschriebenen Protokolls wurde PAX-30 mit einem herkömmlichen PBXN-5-Sprengstoff verglichen. Bei der Detonation wurden die Dellenplatten aus herkömmlichen Detonationsgeschwindigkeits-Dellenschüssen analysiert. Dieses Diagramm zeigt die Detonationsgeschwindigkeit von PAX-30 im Vergleich zu einem herkömmlichen hochenergetischen Sprengstoff, PBXN-5.

Der PAX-30 besitzt trotz 20 % weniger Sprengstoff in der Formulierung nahezu die gleiche Detonationsgeschwindigkeit, den gleichen Druck und die gleiche Gesamtenergie wie der PBXN-5. Dies entsteht durch das einzigartig gestaltete Aluminiumadditiv. Die photonische Doppler-Velocimetrie der Geschwindigkeit des Teilchens von der Unterseite des Sprengstoffs zeigt, dass es schnell auf etwa drei Kilometer pro Sekunde beschleunigt wurde.

Der Detonations- oder Chapman-Jouget-Druck wurde berechnet, indem das Gas des Produkts, Hugoniot, mit der Cooper-Näherung modelliert und dann der CJ-Punkt extrapoliert wurde, sobald der Aluminiumsprengstoff Hugoniot abgestimmt war. Die Berechnungen haben den Druck leicht unterschätzt, wie die Ergebnisse belegen. Es wird daran gearbeitet, neue Gleichungen zu entwickeln, die der frühen Teilchenbeschleunigung entsprechen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man die Detonationsgeschwindigkeit und den Detonationsdruck für neue explosive Formulierungen misst.