Name: 高性能爆薬の研究開発 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-20T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 33 s
Description: 学ぶ 高性能爆薬の研究開発における起爆速度と圧力の測定法。圧電ピンとフォトニック・ドップラー・ベロシメトリーを用いて、新規爆薬処方の特性評価と最適化を行う正確な手法を解説します。

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著者は、資金提供のためにFREEDM(Future Requirement of Enhanced Energetics for Decisive Munitions)プログラムに感謝し、テストの支援をしてくれたMike Van De WaalとGerard Gillen、処方の支援をしてくれたPaula Cook、サンプルのプレスをしてくれたRalph AcevedoとBrian Traversに感謝します。

注意！高性能爆薬の処理、取り扱い、およびテスト（ハザード部門クラス1の物質）は、訓練を受けた有資格者が行ってください。高性能爆薬は、衝撃、摩擦、静電放電、衝撃に敏感です。クラス1の物質を大量に扱うことができる承認研究開発施設をのみを使​​用します。 1. ARDEC光ファイバデトネーション速度テスト<ol><li>光ファイバーカッターを使用して長さに光ファイバをカットし、5本のケーブルのセットでバンドル。部位特異的な試験室形状に基づいて、15​​メートルの長さは、典型的に使用されます。バックストリップケーブル外被材束の一方の端に15ミリメートル、バンドルのもう一方の端に5ミリメートル。任意のバリを除去するために、P800グリットサンドペーパーで光ファイバーの切断端を磨きます。 注：これにより、試験の破壊的な性質のため、プラスチック光ファイバが好ましいです。次のように光ファイバの特性があります。ポリメチルメタクリレート樹脂（PMMA）コア材（980μmの直径）、フッ素化ポリマークラッド材（千μmの直径）、1.49コア屈折率、0.5の開口数。 </li><li>高精度キャリパーとバランスを使用して、試験サンプルと組成物A-3タイプIIブースターペレット直径、長さ、質量を測定します。 注：典型的な試験は、2.54センチメートルの長さのペレットによって1.905センチメートルの直径を用いているが、試験手順は、任意のサイズのペレットと一緒に使用することができるプラスチック製の固定具は、各ペレットを中心に光ファイバケーブルを保持しました。この研究における試験について、1.905センチメートル直径のペレットを使用しました。 </li><li>スロットオープンを詮索好き介して、チューブの内径を拡大することにより、プラスチック固定具に、爆発物ペレット、一つ一つをロードします。レコードの爆発的なペレット数とフィクスチャ内の位置。その後、治具の上からチューブにブースターペレットをロードします。 </li><li>ブースターペレットの上にアクリル雷管ホルダーを配置します。 注：RP-502爆発ブリッジワイヤ起爆装置（EBWs）が典型的に使用されます。テストの再校正が必要となるが、他の起爆装置は、置き換えることができます。 </li><li>爆速テスト・フィクスチャで2段穴に光ファイバの短い露出端（5ミリメートル）を挿入します。 注：2段階の穴が強いシグナルをもたらすデトネーションフロントの通過時にイオン化のための十分な空気があることを確認してください。治具用の穴は、光ファイバを挿入するための爆発と0.042インチの直径の穴に対して0.020長内孔により0.021インチの直径を有しているべきです。プラスチック繊維が使用される場合、光ファイバの外径の光研磨は、繊維径とテストフィクスチャの許容誤差の両方に応じて必要であり得ます。光ファイバが完全に挿入されていることを確認します（2段穴のステップに着座）。 </li><li>接着剤/エポキシ代わりに繊維。このプロトコルのために5分エポキシを使用してください。 </li><li>繊維を保持して、エポキシが完全に硬化したときに、アクリルを配置スチール証人プレートの上に爆発的なペレットを含むICチューブ。その上に重量またはテープで鋼板にテキスト固定具を固定します。最後の爆発的なペレットとスチール証人プレートの底面との間のエアギャップがないことを確認してください。 </li><li>証人プレートに付着し、テスト・フィクスチャの周りに360°をエポキシ。エポキシが完全に硬化した後、テスト・フィクスチャの上部にある雷管ホルダーに起爆装置を配置し、テープで固定します。 </li><li>試験室へのテスト・フィクスチャを輸送し、ボックスを加算するフォトダイオードに長い光ファイバの露出端（15ミリメートル）を挿入します。オシロスコープに、必要に応じて、フォトダイオードの加算ボックス、または他のデータ取得方法を接続します（1 GHzの帯域幅が十分以上のものです）。 </li><li> RP-80起爆装置に焼成ラインを接続します。すべて閉じS（ドア/ポート/ 等を必要と発射施設の爆発的なテスト当たりの面積ロックダウン操作を行いますtandard操作手順）のSOP。 </li><li>オシロスコープのトリガ、電圧/除算、時間/分割の設定を確認してください。オシロスコープ上の1つのチャンネルに3.0 Vのトリガー閾値と高電圧firesetからトリガーを接続します。オシロスコープ上の第二のチャネルにあるボックスを加算するフォトダイオードを接続します。 -20マイクロ秒の遅延設定で​​、5マイクロ秒/部門に5 V /部門に両方のチャネルおよびタイムベースを設定します。 </li><li>高エネルギーfiresetを経由してアイテムを爆発させます。 </li><li>フォトダイオードサミングボックスの出力からの時間に対応するピークを測定します。最初の上昇は、使用する機器に応じて、より良い指標かもしれないが、オシロスコープの画面トレースから、特定の時間を決定するために、ピーク電圧を使用します。 </li><li>オシロスコープから取得した5の時点から爆轟速度を計算します。各光ファイバの間隔が既知であるので、各ピーク間の時間によって、各端子間の距離を割ることによって爆発速度を算出する（ジスタンス/時間=速度）。平均値と標準偏差は両方に報告されています。 </li><li>最小レベルを見つけるために窪みに軸受較正鋼を配置することにより、鋼目撃プレートにおける窪みの深さを計算し、次に深さを決定するために使用される深さゲージ。 </li></ol> 2.写真ドップラー流速<ol><li>マシンPMMAウィンドウは約6.5ミリメートルの厚さの爆薬の直径に適合したサイズ。ウィンドウは光学的に透明で任意の加工欠陥のないことを確認してください。これを達成するためにレーザーカッターまたは類似の機械加工プロセスを使用してディスク外のキャストアクリル加工の光学的に透明なシートを取ります。次いで、光学的に透明な表面を得るために、ウォータージェットを利用します。 </li><li>アルミ箔の厚さは、メーカー仕様につき0.005」を超えていないことを確認してください。箔面が（鏡面）自然のままであれば、砂地のステンレス製のボールベアリングで表面上を転がります。最適なレーザーBACにおける拡散表面結果アライメントが少しずれていてもk個の反射、。 </li><li> PMMAウィンドウにアルミ箔を貼り付ける薄い、光学的に透明な、アクリル系粘着テープを使用してください。 PMMAとアルミニウムとの間に気泡がないことを確認してください。 </li><li>爆発的な試験試料​​ペレットの直径、長さ、質量を測定します。高精度キャリパーとバランスを使用してください。 </li><li>任意のブースター（必要な場合）を含む、連続的な電荷を形成するために相互に爆発試験試料ペレットを取り付けます。ペレット界面でのエアギャップを最小化するために組み立て時に各爆発的なインターフェイスでグリースを塗布します。 </li><li>アクリル治具に爆速ピンをマウントします。これらは、光ファイバや圧電ピンのいずれであってもよいです。充電に関しては、ピンの位置は知られていなければなりません。 </li><li>電荷にアクリル爆速ピンホルダーを貼り付けます。テープは、電荷にアクリルピンホルダーを保持するのに十分です。一般的に、繊維/ピン位置は、爆発的なCHの底部に最も近いです定常状態の爆発が観察できるようARGE。 </li><li>電荷に起爆装置を取り付けます。組み立てられた電荷を反転し、PMMAウィンドウを固定するための準備をするためにこの方向でそれを安定させます。アルミニウム/爆発性の界面に気泡を防止するために、爆発的な顔に少量のグリースを配置します。 </li><li>爆薬にPMMAウィンドウの箔側を貼り付けます。ウィンドウと電荷が同心である場合には、円周方向にテープを使用します。ない場合は、爆薬の軸を下にテープで固定します。 </li><li> PMMAウィンドウが確実炸薬に取り付けられると、テープとPMMAウィンドウにアクリルPDVプローブホルダを取り付けます。 PDVプローブホルダーにPDVプローブを挿入します。 </li><li>後方反射計を用いてホルダーにPDVプローブを合わせます。このデバイスは、低出力のレーザ光を出力し、後方反射振幅を測定します。 -10 DBM -20 DBMの後方反射が望ましいです。後方反射があると判定された後の場所にPDVプローブをエポキシ最適な。 </li><li>室内でテスト項目を配置し、爆速線（光ファイバまたは圧電）とPDV繊維の両方を接続します。 RP-80起爆装置に焼成ラインを接続します。閉じる必要なすべてのドア/ポートの/ etc。施設の爆発的なテスト発射のSOP当たりの面積のロックダウン操作を行います。 </li><li>オシロスコープのトリガ、電圧/除算、時間/分割の設定を確認してください。 PDVのシステム設定を確認してください。信号レーザと基準レーザ振幅を観察し、必要に応じて変更します。 </li><li>高エネルギーfiresetを経由してアイテムを爆発させます。 PDVデータと爆速データの両方のためのオシロスコープのトレースを保存します。 </li><li>関連データ解析プログラムでPDVのデータを分析します。生PDV信号（FFT）ベースの分析パッケージを高速フーリエ変換を使用して処理する必要があります。 注：この生信号の周波数内容を見て、光源（1,550ナノメートル）の初期周波数を知ることにより、FFT解析パッケージがプロットこと速度スペクトログラムを生成します時間の関数として記録速度。この場合、PlotData、エネルギーのグラフィカルユーザインタフェース（GUI）の独自の米国部門は、FFTを実行するためにLabVIEWソフトウェアと組み合わせて使用​​されます。しかし、多くの市販の分析パッケージは、これらのタスクを実行することが可能であるが存在します。 </li><li>オシロスコープから取得した5の時点から爆轟速度を計算します。各光ファイバの間隔が既知であるため、爆発速度は、各ピーク（距離/時間=速度）との間の時間によって、各端子間の距離を割ることによって計算されます。平均値と標準偏差が報告されています。 </li></ol>

<ol><li>Title 10, Chapter 141, Section 2389. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22United+States+Code%22">United States Code</a>. , (2001).</li>
<li>Anderson, P. E., Cook, P., Davis, A., Mychajlonka, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Effect+of+Binder+Systems+on+Early+Aluminum+Reaction+in+Detonations%5BTitle%5D)+AND+%22Propellants%2C+Explosives%2C+and+Pyrotechnics%22%5BJournal%5D)">The Effect of Binder Systems on Early Aluminum Reaction in Detonations.</a> Propellants, Explosives, and Pyrotechnics. 38 (4), 486-494 (2013).</li>
<li>Trzcinski, W. A., Cudzilo, S., Paszula, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Studies+of+Free+Field+and+Confined+Explosions+of+Aluminum+Enriched+RDX+Compositions%5BTitle%5D)+AND+%22Propellants%2C+Explosives%2C+Pyrotechnics%22%5BJournal%5D)">Studies of Free Field and Confined Explosions of Aluminum Enriched RDX Compositions.</a> Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 32 (6), 502-508 (2007).</li>
<li>Volk, F., Schedlbauer, F. Products of Al Containing Explosives Detonated in Argon and Underwater. 10th Symposium (International) on Detonation, 1993 July 12-16, Boston, , Office of Naval Research. White Oak. (1995).</li>
<li>United Nations. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Recommendations+on+the+Transport+of+Dangerous+Goods%E2%80%94Tests+and+Criteria%2C+revisions+adopted+by+reference+%28A.1%29%2C+ST%2FSG%2FAC.10%2F11%22">Recommendations on the Transport of Dangerous Goods—Tests and Criteria, revisions adopted by reference (A.1), ST/SG/AC.10/11</a>. , United Nations Publication. New York, New York. (2013).</li>
<li>Cooper, P. W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCooper%2C+PW+%22Explosives+Engineering%22">Explosives Engineering</a>. , Wiley-VCH. New York. (1996).</li>
<li>Chapman, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+rate+of+explosion+in+gases%5BTitle%5D)+AND+%22Philosophical+Magazine+Series+5%22%5BJournal%5D)">On the rate of explosion in gases.</a> Philosophical Magazine Series 5. 47 (284), 90-104 (1899).</li>
<li>OT, S. trand, Goosman, D. R., Martinez, C., Whitworth, T. L., Kuhlow, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Compact+system+for+high-speed+velocimetry+using+heterodyne+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Compact system for high-speed velocimetry using heterodyne techniques.</a> Review of Scientific Instruments. 77 (8), (2006).</li>
<li>Manner, V. W., Pemberton, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+Aluminum+in+the+Detonation+and+Post-detonation+expansion+of+Selected+Cast+HMX-Based+Explosives%5BTitle%5D)+AND+%22Propellants%2C+Explosives%2C+and+Pyrotechnics%22%5BJournal%5D)">The role of Aluminum in the Detonation and Post-detonation expansion of Selected Cast HMX-Based Explosives.</a> Propellants, Explosives, and Pyrotechnics. 37 (2), 198-206 (2012).</li>
<li>Baker, E. L., Stiel, L., Balas, W., Capellos, C., Pincay, J. Combined Effects Aluminized Explosives. 24th International Ballistics Symposium, 2008 September 22-26, New Orleans, LA, , (2008).</li>
<li>Stiel, L. I., Baker, E. L., Capellos, C. Study of Detonation and Cylinder Velocities for Aluminized Explosives. Shock Compression of Condensed Matter - 2005. AIP Conference Proceedings. Furnish, M. D., Elert, M., Russell, T. P., White, C. T. 845, American Institute of Physics. New York, 475–478. 475-478 (2006).</li>
</ol>

分布A：一般公開用に承認されました。配布は無制限です。著者らは、開示することは何もありません。

2爆発的製剤との間の計算された圧力差に注意してください。以下ニトラミン（HMX）負荷に対する部分的に起因する爆発的な展示低い圧力を、アルミ化だけでなく、アルミニウムが低く、爆発圧力からより小さな凹みが生じる拡大爆轟ガス中の酸素と反応しているため。 PBXN-5が原因（PAX-30用33.1モル/ kgの対PBXN-5用36.2モル/ kg）のPAX-30と比較して、爆発の際に、その高いガス含有量に高い爆発圧力を加えます。壁の速度測定から派生した状態のより高度な方程式（EOS）は、このような極端な温度および圧力で爆発的な製品の条件を記述するために使用されている。10,11このことは、今後の原稿の対象となります。 爆発性金属の初期の反応が発生した場合、検出された爆轟速度は金属が反応しない場合よりも低いことが明らかでした。これはやや直感に反します。一速度は、アルミニウムの発熱反応に起因する拡大デトネーション前面にあればより多くのエネルギー沈着を増大させることを期待します。爆速の減少は、圧力密度Hugoniotsの解決策から生じます。特定のボリューム（逆密度）-pressure等エントロピー線は（ 図9の左から右へ）爆発から製品が拡大としての変化を示している。6拡張等エントロピー線が熱力学形成し、圧力-比容積曲線に沿って展開することができ、それらの爆発物を表し、 。アルミニウムは酸化種を形成するように反応する場合、膨張の過程で、それはガスの密度の全体的な低下をもたらし、より低い速度をもたらします。これは、非反応性のアルミニウム（ 図9）のためのソリューション以下の膨張等エントロピー線に現れます。爆発速度は、x軸上の開始濃度からの等エントロピー線と交差する接線であるので、爆発Vは明らかです製剤中のアルミニウムが反応するとelocityが減少しなければなりません。 要約すると、米国国防総省は積極的に応用研究と伝統と新技術の両方を持つ新エネルギー物質の特性を追求し続けています。 PDVの場合には、極端な精度で爆発物を特徴付けるし、爆発的な有効性に貴重な洞察力を持つ研究者を提供する貴重なツールです。この迅速な試験サイクルを大幅にコストおよび配合の最適化と要件検証に必要な時間を減少させます。

An erratum was issued for <a href="http://www.jove.com/video/52950/research-and-development-of-high-performance-explosives">Research and Development of High-performance Explosives</a>. The abstract, introduction, protocol, representative results, and acknowledgments sections were updated.
The Abstract was updated from:
Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance tests to verify theoretical calculations. small-scale For newly developed formulations, the process begins with small-scale mixes, thermal testing, and impact and friction sensitivity. Only then do subsequent larger scale formulations proceed to detonation testing, which will be covered in this paper. Recent advances in characterization techniques have led to unparalleled precision in the characterization of early-time evolution of detonations. The new technique of photo-Doppler velocimetry (PDV) for the measurement of detonation pressure and velocity will be shared and compared with traditional fiber-optic detonation velocity and plate-dent calculation of detonation pressure. In particular, the role of aluminum in explosive formulations will be discussed. Recent developments led to the development of explosive formulations that result in reaction of aluminum very early in the detonation product expansion. This enhanced reaction leads to changes in the detonation velocity and pressure due to reaction of the aluminum with oxygen in the expanding gas products.
to:
Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance tests to verify theoretical calculations. For newly developed formulations, the process begins with small-scale mixes, thermal testing, and impact and friction sensitivity. Only then do subsequent larger scale formulations proceed to detonation testing, which will be covered in this paper. Recent advances in characterization techniques have led to unparalleled precision in the characterization of early-time evolution of detonations. The new technique of Photonic Doppler Velocimetry (PDV) for the measurement of detonation pressure will be shared and compared with traditional fiber-optic detonation velocity and plate-dent calculation of detonation pressure. In particular, the role of aluminum in explosive formulations will be discussed. Recent developments led to the development of explosive formulations that result in reaction of aluminum very early in the detonation product expansion. This enhanced reaction leads to changes in the detonation velocity and pressure due to reaction of the aluminum with oxygen in the expanding gas products.
The Introduction's second to last paragraph was updated from:
In order to calculate the CJ pressure of a new explosive, a PDV system can be used to measure the particle velocity between the explosive and a polymethyl methacrylate (PMMA) window. A very thin foil, usually aluminum or copper, is placed at this interface to act as a reflective surface. In these studies, copper was used. This foil should be thin enough to prevent significant shock wave attenuation while being thick enough to prevent detonation light from passing through. Typically, a foil thickness of 1,000 angstroms is ideal for most experimental setups. Given the particle velocity in the PMMA and the detonation velocity of the explosive, the detonation pressure can be calculated with Hugoniot shock matching equations.6
to:
In order to calculate the CJ pressure of a new explosive, a PDV system can be used to measure the particle velocity between the explosive and a polymethyl methacrylate (PMMA) window. A very thin foil, usually aluminum or copper, is placed at this interface to act as a reflective surface. This foil should be thin enough to prevent significant shock wave attenuation while being thick enough to prevent detonation light from passing through. Typically, a foil thickness of 1,000 angstroms is ideal for most experimental setups. Given the particle velocity in the PMMA and the detonation velocity of the explosive, the detonation pressure can be calculated with Hugoniot shock matching equations.6
Step 2.1 in the Protocol was updated from:
Machine a PMMA window sized to the diameter of the explosive charge approximately 6.5mm thick. Ensure that the window is optically clear and free of any machining defects. To accomplish this take an optically clear sheet of cast acrylic and machining out the disks using a laser cutter or similar machining process. Then, utilize water jets to obtain an optically clear surface.
to:
Machine a PMMA window sized to the diameter of the explosive charge approximately 6.5mm thick. Ensure that the window is optically clear and free of any machining defects. To accomplish this take an optically clear sheet of cast acrylic and machining out the disks using a laser cutter or similar machining process. Then, polish the PMMA to obtain an optically clear surface.
In the Representative Results Figure 3's capation was updated from:
Figure 3. PDV setup (close view). The PDV setup at the base where the flyer plate is located.
to:
Figure 3. PDV setup (close view). The PDV setup at the base.
In the Representative Results, the paragraph between table 1 and figure 7 has been updated from:
The output from the PDV trace of the flyer plate from the bottom of the explosive charge of Figures 2-3 is shown in Figure 7. The oscillations arise from the ringing in the plate from the rapid acceleration to nearly 4-5 km/sec. The CJ pressure is calculated from modeling the product gas Hugoniot with Cooper’s approximation,6 and then extrapolating the CJ point once the aluminum-explosive Hugoniot is matched. A typical screen print from such a calculation is shown in Figure 8. The technique still has some limitations since the calculations assume a linear acceleration extrapolation from the beginning of the flyer velocity. This results in slightly underestimating the pressure, as evidenced by the results (Table 1). Work is ongoing to develop new equations to fit the early acceleration of the flyer plate.
to:
The output of the PDV trace from the bottom of the explosive charge of Figures 2-3 is shown in Figure 7. The CJ pressure is calculated from modeling the product gas Hugoniot with Cooper’s approximation,6 and then extrapolating the CJ point once the PMMA-explosive Hugoniot is matched. A typical screen print from such a calculation is shown in Figure 8. The technique still has some limitations since the calculations assume a linear extrapolation from the beginning of the window velocity trace. This results in slightly underestimating the pressure, as evidenced by the results (Table 1).
In the Representative Results Figure 7 and its caption were updated from:
<img alt="Velocity vs. Time graph; data analysis of dynamic simulation; results of two experimental shots." src="/files/ftp_upload/52950/52950fig7old.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 7">
Figure 7. Plate velocity as a function of time for the measurement of CJ pressure in the PBXN-5 explosive. Note the excellent agreement between two different shots, where the traces practically fall on one another.
to:
<img alt="PDV analysis graph: velocity vs. time, transient data for experimental shots, spectroscopic study." src="/files/ftp_upload/52950/52950fig7new.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 7">
Figure 7. Window velocity as a function of time for the measurement of CJ pressure. Note the excellent agreement between the different shots, where the traces practically fall on one another.
Also in the Representative Results, Figure 8 had its caption update from:
Figure 8. Calculation of the CJ pressure from the copper flyer plate data on the PDV experiment. Note that the extrapolation assumes a linear acceleration in the initial push of the flyer plate which currently leads to an underestimation of the CJ pressure.
to:
Figure 8. Calculation of the CJ pressure from the PDV experiment. Note that the extrapolation assumes a linear acceleration in the initial push of the window which currently leads to an underestimation of the CJ pressure.
The Acknowledgments section was updated from:
The authors would like to thank the Future Requirement of Enhanced Energetics for Decisive Munitions (FREEDM) Program for funding, Mike VanDeWal and Gerard Gillen for their assistance in testing, Paula Cook for formulations assistance, and Ralph Acevedo and Brian Travers for pressing of the samples.
to:
The authors would like to thank the Future Requirement of Enhanced Energetics for Decisive Munitions (FREEDM) Program for funding, Mike Van De Waal and Gerard Gillen for their assistance in testing, Paula Cook for formulations assistance, and Ralph Acevedo and Brian Travers for pressing of the samples.

Several corrections were made to: Research and Development of High-performance Explosives

Erratum: Research and Development of High-performance Explosives

軍事用高性能爆薬の開発は、大規模な安全性を考慮し、試験設備の要件に、リソースの制約を伴います。米陸軍兵器研究開発とエンジニアリングコマンド（ARDEC）、ピカティニーアーセナルでは、爆発物は、完全なライフサイクルの監視と非軍事化を通じて研究レベルから評価されています。取り扱い、保管、およびロードのため安全である新しい爆発物は、継続的に戦闘機のための効果的かつ安全な軍需品を提供するために評価されます。最近の法律は、可能な限り、低感度装備品（IM）のガイドラインと要件に従っていることを指示します。新たな爆発物が合成され、製剤化されるたびにそのため、パフォーマンステストは、それらがユーザの要求を満たす保証するために最も重要です。この文脈では、新たに開発されたPAX-30の爆轟特性の測定はPBXN-5、従来の高性能爆薬と比較されます。その爆発VELOの具体的には、測定理論モデルと性能計算の検証のために重要である都市と爆発圧力は、共有されています。 PAX-30は、反応性のアルミニウムを使用することにより、このようなPBXN-5などのレガシーの爆発物を置き換えるために開発されました。 アルミニウムは、モル毎にアルミニウム等の酸化の高いエンタルピーを有しています： 2AL + 3/2 O 2 - &gt;のAl 2 O 3（1670キロジュール/モル） 衝撃敏感爆発性成分の代わりにアルミニウムを添加することにより、製剤は、外部からの衝撃や危険損傷に対してより安全でレンダリングされます。同時に、軍事用途のために必要な性能を維持しつつ、効果的に低感度装備品（IM）国連の要件を満たすのに役立つ。2,3.4 このような項目をテストするための施設は、ユニークで高度に専門化されています。いくつかの初期テストを大量に取り扱う前に爆発物をスクリーニングするために行われています。 THESE試験は、示差走査熱量測定（DSC）、衝撃及び摩擦試験で熱特性を含みます。 DSC試験のため、小さな試験サンプルは、不活性雰囲気下で一定の速度で加熱し、熱流の量及び方向がモニターされます。衝撃や摩擦試験のために、サンプルは、標準化された落錘（Bundesanstaltの毛皮Materialprufung、またはBAMインパクト）から侮辱を行い、摩擦試験標準化されたセラミックピンとプレート（Bundesanstaltの毛皮Materialprufung、またはBAM摩擦）のためにされている。5 製剤は、処理のために安全であると見なされると、さらにスケールアップは独自の混合技術によって達成されます。要するに、高性能爆薬は、次の3つのカテゴリに分類されます。 結合剤は、ワックス、トリニトロトルエン（TNT）、dintroanisole（DNAN）、または他の溶融可能な材料のような溶融相材料である、溶融キャスト。エネルギッシュまたは燃料固体が額面を慎重に考慮して配合することができますticleサイズとの互換性。 バインダーは、ヒドロキシル末端ポリブタジエン（HTPB）、ポリアクリレート、またはその未反応の状態で液体であるが、開始時に固体に固化する他のエポキシ系プラスチックのようなキャスタブルポリマー、であるキャスト硬化、。固体を液体状態の間にマトリックスに組み込まれます。 押され、ここで固体負荷は、多くの場合、ラッカーまたは押出プロセスを用いて被覆する固体添加される結合剤と、重量でほぼ95％に近づいて、非常に高いです。 一度押すまたは鋳造材料は、所望の試験のための適切な形状を得るための標準的な方法論を使用して機械加工されます。本論文では、PAX-30とPBXN-5は、高パフォーマンスが爆発物を押されています。製剤は、精力的なニトラミン結晶（HMX、RDX、またはCL-20）とアルミニウム粒子を水溶液中に懸濁させたスラリーコーティング工程を通じて製造されます。独自のバインダー私とラッカーsが、その後追加されました。ラッカー添加すると、ポリマーコート爆薬結晶は、懸濁液は溶媒を追い出すために真空下で加熱し、粒子を濾過し、乾燥します。顆粒状粒子は、その後、所望の形状にプレスされます。 爆轟速度爆発速度を決定するためには、材料中のデトネーションフロントの到着を監視しなければなりません。デトネーションは、材料中の音速よりも速い圧力及び温度で自立瞬時の上昇として定義されます。温度と圧力が伝播反応フロントの後ろに発熱反応をもたらすのに十分であるいったんそれが自立なります。このような挙動は、形成の特定の材料中の硝酸基などの酸化成分を組み込むことにより実現されます。 RDX（シクロ-1,3,5-トリメチレン-2,4,6-トリニトロ）とHMX（cyclotetramethylenetetranitramine）として知られている2つの例を私が示されていますよると、大規模な米国国防総省（国防総省）で最も使用されるエネルギー物質であるnは、図1、。衝撃波面の背後にある自己伝播発熱反応をもたらす分子の酸素バランスに注意してください。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig1.jpg" /> 図1. RDX（シクロ-1,3,5-トリメチレン-2,4,6-トリニトロ、左）とHMX（cyclotetramethylenetetranitramine、右）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> デトネーションフロントの速度を決定する一つの方法は、時間の関数としての位置を監視することです。光ファイバ爆速（FODV）試験は、爆発物の爆発速度を決定するために行われます。アクリル固定具が爆発的なサンプルを保持し、光を見つけるために設計されましたチャージ長ダウン既知の距離で繊維。標準的な試験は、合計5つの光ファイバと0.75インチ径爆発的なサンプルによって、長い5インチを使用しています。下部繊維は、電荷の底部から0.50インチに配置され、各連続繊維は、1インチの次の上方に位置しています。アクリル固定具に開けた穴は、二段付き孔です。より大きな直径の穴は、光ファイバのコアおよびクラッドに適合するようなサイズと小径孔が閉じ込められた空気の空間として機能します。爆発は爆発サンプルを通して進行するにつれて、生成衝撃波は、光ファイバーを用いて観察することができる短く、明るいフラッシュを生成する閉じ込められた空気の空間を励起します。 このテストのために使用される光ファイバーは、安価なプラスチックコアを有しています。試験エアショックの整合性の破壊的な性質のために、高品質の繊維は、高品質の速度データを維持するために必要であることが見出されませんでした。ピカティニーアーセナルでの試験設備電圧に爆発からの光を変換するために加算され、フォトダイオードを使用しています。電圧スパイクの振幅は、この試験の目的のために重要です。そのサンプリングレートがはるかにこのテストのために必要なものを超えているが、1 GHzのオシロスコープには、ボックスを加算するフォトダイオードに接続されています。光ファイバ「ピーク」は、いずれかの信号またはピーク値の最初の上昇によって測定することができます。光ファイバとデトネーション到着の時間差との間の距離を考えると、爆発速度が決定されます。 爆発圧爆発圧力は爆薬の爆轟から、標準的​​な鋼板の結果にへこみの深さを測定することによって推定されます。デント深さが十分に爆発性化合物の様々な既知の圧力値に相関しています。ほとんどの爆発物が爆発が起こるのにチャップマン-ジュゲ（CJ）の条件を満たしているので通常、爆発圧力は、一般的に呼ばれていますCJ圧として、それは、この記事ではこの時点からとなります。充電アセンブリは、鋼板の上に置かれ、「目撃プレート」と呼ばれ、プレートにおける窪み内爆発をもたらすされます。既知の爆発圧力を有する多数の爆発性物質のための標準的な0.75インチの充電直径でのへこみの深さは、その後、試験くぼみの深さと比較されます。プレートの凹みによって爆発圧力が許容可能な相関関係のために文書化されたデータの多くの年で信頼性の高い方法です。しかし、爆発は動的、速い化学反応であり、近年では、圧力 - 時間履歴を観察するために、より高い解像度でのツールを利用することが望ましいとなっています。 直接爆薬の爆轟圧を測定するために、フォトニックドップラー流速（PDV）を用いることもできます。このレーザ干渉計システムは、ローレンス・リバモア国立研究所によって開発され、1,550 nmのCWレーザ光源を利用しました。移動目標ANでレーザを向けることにより、Dドップラーシフト光を収集する、得られたビート周波数は、ターゲットの速度トレースを提供するために分析することができます。従来の高速写真技術とは異なり、これらの速度トレースは、時間の関数としての目標の速度の連続的な記録を提供します。この測定技術はここ数年で大きな注目を集めていると国防総省とエネルギー省（DOE）爆発特性評価ラボでユビキタスになってきています。 新たな爆発のCJ圧を計算するために、PDVシステムは、爆発物やポリメチルメタクリレート（PMMA）ウィンドウ間の粒子速度を測定することができます。非常に薄い箔、通常アルミニウムや銅、反射面として機能するように、この界面に配置されています。これらの研究では、銅を使用しました。この箔は通過からデトネーション光を防止するのに十分な厚さでありながら大幅な衝撃波の減衰を防止するのに十分薄くなければなりません。一般的に、箔の厚さ千オングストロームの最も実験的なセットアップに最適です。 PMMAの粒子速度と爆薬の爆轟速度を考えると、爆発圧力はユゴニオ衝撃マッチング式で計算することができる。6 0.75「電荷直径でFODVテストがARDECで確立された標準ですが、PDV-ベースのテストは継続的な改良を受けています。爆薬製剤に応じて、一方または両方のテストが爆轟速度及び爆轟圧を特徴付けるために使用することができます。

<table><tbody><tr><td>シルコテトラメチレンテトラニトラニトラミン</td><td>BAE</td><td>クラス5</td><td>1.1D、高爆発</td></tr><tr><td>性アルミニウム</td><td>Valimet</td><td>独自の</td><td></td></tr><tr><td>Viton</td><td>3M</td><td></td><td></td></tr><tr><td>グリース</td>ダ<td>ウコーニング</td><td>シルガード182</td><td>ギャップシーラー</td></tr></tbody></table>

高性能爆薬の研究開発

Research and Development of High-performance Explosives

軍事用途のための高性能爆薬の発達検査小規模製剤、安全性試験、及び理論計算を検証するために、最終的に爆発性能試験を含みます。新しく開発された製剤についての小規模、プロセスは、小規模のミックス、熱試験、衝撃及び摩擦感度始まります。その場合にのみ、その後の大規模製剤は、このホワイトペーパーで説明しますデトネーションテストに進みます。特性評価技術の最近の進歩は、爆発の早期時間発展の特徴で比類のない精度につながっています。爆発圧力と速度の測定のためのフォトドップラー速度計測（PDV）の新しい技術が共有され、従来の光ファイバ爆速と爆発圧力の板へこみ計算と比較されます。特に、爆発性調合物中のアルミニウムの役割について説明します。最近の開発は、爆発的なFの開発につながりました非常に初期のデトネーション製品展開中のアルミニウムの反応につながるormulations。この強化された反応が原因で膨張ガス製品中の酸素とアルミニウムとの反応に爆速と圧力の変化につながります。

FODVセットアップは 、図4に示されているがPDVのための典型的なセットアップは、 図 2及び図3に示されている。爆発すると、従来のFODVショットから得られた窪みプレートはPAX-30の位置/時間の結果を、 図5に示されていますそして、PBXN-5、図6インチ両材料は、PAX-30〜0.4マイクロ秒/ mmの遅くに、同様の爆発速度（直線の傾き）を有します。それは有意な差であるように思わないかもしれないが、それはPAX-30は重量爆発フィルによってほぼ20％以下を所有しているという事実に照らして実際にあります。爆速は、中または直後に爆発前後のアルミニウム反応を定量化するための決定的なテストではありませんが、それはアルミニウム反応の予備的評価を与えることができます。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig2.jpg" /> 図2。<html>典型的なPDVのセットアップ。爆発ペレットまたはキャストスティックが積層されている。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig3.jpg" /> 図3. PDVのセットアップ（近景）。フライヤープレートが配置されているベースでのPDVのセットアップ。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig4.jpg" /> 図4. FODVセットアップ。スティックは、セットアップ時に固体接触し、直立姿勢を確保するために、鋼製の証人板にエポキシ樹脂で接着されています。起爆装置とブースターはスティックの上部に表示されます。<html> = &quot;https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig4large.jpg&quot;ターゲット= &quot;_空白&quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 <img alt="図5" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig5.jpg" /> FODVテストから 図5. デント。凹みを較正深さゲージや形状測定装置で測定されている。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図6" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig6.jpg" /> 図6。 爆発率の計算。各データポイントは、FODVセットアップの光ファイバケーブルのピンからです。 PAX-30 R 2 = 0.999717、RMSE（二乗平均誤差）= 0.519693; PBXN-5 R 2 = 0.998778、RMSE = 1.342272。オム/ファイル/ ftp_upload / 52950 / 52950fig6large.jpg &quot;ターゲット=&quot; _空白 &quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td> 爆発物 </td><td> n個 </td><td> 爆速（ミリメートル/μ秒） </td><td> CJ圧力 （GPaで、プレートの凹み） </td><td> CJ圧力 （GPA、PDV） </td></tr><tr><td> PBXN-5 </td><td> 3 </td><td> 8.83±0.12 </td><td> 37.9±1.4 </td><td> 34.7±0.0 </td></tr><tr><td> PAX-30 </td><td> 3 </td><td> 8.48±0.04 </td><td> 32.3±1.3 </td><td> 30.5±0.3 </td></tr></tbody></table> 表1。実験からのパフォーマンスデータ。nが 5光ファイバピンとそれぞれが、テストの合計数です。 PDV CJ圧力は、1つのテストのみで構成されています。 ザ<html> 図2-3の爆薬の底からチラシプレートのPDVのトレースからの出力は、図7に示されている。振動がほぼ4〜5キロ/秒に急加速からプレートにリンギングから生じます。 CJ圧力は、クーパーの近似で生成ガスユゴニオをモデリング6、次にアルミニウム爆発ユゴニオが一致したらCJ点を外挿するから計算されます。このような計算からの典型的なスクリーン印刷は、図8に示されている。計算はチラシ速度の先頭から直線加速度の外挿を想定して以来、技術はまだいくつかの制限があります。結果（ 表1）によって証明されるように、これは、わずかに圧力を過小評価をもたらします。仕事はチラシプレートの早期の加速に合わせて新たな方程式を開発することが進行中です。 / &quot;/ 52950 / 52950fig7.jpgをアップロード&gt; PBXN-5爆発中のCJ圧の測定のための時間の関数として 図7. プレート速度。トレースが実質的に互いに落ちる二つの異なるショット、間に優れた契約を注意してください。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig7large.jpg" target="_blank">の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。この図。</a> <img alt="図8" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig8.jpg" /> PDV実験上の銅フライヤープレートデータからCJ圧の図8.計算。外挿は現在CJ圧の過小評価につながるチラシプレートの最初のプッシュで直線加速度を前提としていることに注意してください。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig8large.jpg" target="_blank">にはこちらをクリックしてくださいこの図の拡大版を表示します。&lt;</a>/ A&gt; <img alt="図9" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig9.jpg" /> 拡大図9.描写は爆発物で反応させ、未反応のアルミニウムのためisentropes。青い直線が爆速に比例する接線ソリューションです。反応したアル製品・ソリューションは、未反応のAlソリューションよりも低いことが爆速を強制的に注意してください。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig9large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

軍事用途の高爆薬の開発試験には、小規模な配合、安全性試験、そして最終的には理論計算を検証するための爆発性能試験が含まれます。このホワイトペーパーでは、デトネーション速度とデトネーション圧力の測定に関連する典型的な開発テストを共有します。

Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance ...

本手順の全体的な目的は、圧電ピンとフォトニック・ドップラー速度計測（PDV）ウィンドウを用いて、新規爆薬処方の爆速および爆圧を評価することです。まず、試験手順に向けて圧電ピンとフォトニック・ドップラー速度計測ウィンドウを準備します。次に、爆薬試料を測定し、加工済みのアクリルチューブに充填します。次に、信管を取り付けます。実験装置を密閉された試験室に設置し、試験用爆薬を起爆させます。最後のステップは、到達時間と圧力データの収集および分析です。最終的に、爆速と爆圧の複合試験を用いて、爆薬組成の特性評価および最適化を行いました。爆薬の開発者にとって、何度も試験を繰り返したり、非破壊検査を行ったりする余裕はありません。したがって、爆速と爆圧の正確で再現性のある測定が極めて重要となります。ここでは、爆薬エンジニアのErik Wrobel氏とRodger Cornell氏が、爆轟圧力と爆轟速度の測定方法を実演します。フォトニック・ドップラー速度計（PDV）の主な利点は、爆轟圧力を極めて正確に測定できることです。まず、圧電ピンに使用するBNCケーブルを6本ずつ束にして準備します。ケーブルの長さは、試験サイトの形状に合わせて調整してください。次に、高精度キャリパーを使用して、試験試料とブースターペレットの直径および長さを測定します。試験治具は、あらゆるサイズのペレットに合わせて機械加工することが可能です。また、ペレットの質量を測定します。次に、爆薬ペレットをプラスチック製固定具に1つずつ装填します。装填したペレットの数と、固定具内での配置場所を記録してください。次に、固定具の上部からブースターペレットをチューブに装填します。ブースターペレットの上に、アクリル製起爆薬ホルダーを配置します。ここで、圧電ピンを穴に通し、プラスチック製固定具の長手方向に沿って挿入します。5分硬化エポキシ樹脂を使用してピンを固定します。エポキシ樹脂が硬化した後、爆薬ペレットを入れたアクリルチューブを鋼製ウィットネスプレートの上に配置します。重りまたはテープを用いて、テスト治具を鋼板に固定してください。最後の爆薬ペレットと鋼板の間にエアギャップがないようにしてください。次に、テスト治具の端をエポキシ樹脂で接着し、プレートに固定します。エポキシ樹脂が完全に硬化した後、デトネーターをホルダーに配置し、テープで固定します。テスト治具をテストチャンバーまで運びます。そこで、圧電ピンケーブルをチャンバー内のピンおよびカメラ室内のBNCマルチプレクサボックスに接続します。次に、マルチプレクサボックスをオシロスコープに接続します。1 GHzの帯域幅があれば十分です。点火線を雷管に接続します。地域の標準作業手順に従い、試験場を封鎖してください。次に、高電圧発火装置のトリガー出力をオシロスコープの1つのチャンネルに接続します。トリガーしきい値が3 Vであることを確認してください。その後、サミングボックスをオシロスコープの2つ目のチャンネルに接続します。オシロスコープにおいて、両チャネルの感度を5 V/divに、タイムベースを5 µs/divに設定します。遅延を-20 µsに設定してください。次に、高エネルギー点火の準備が整ったら、起爆を実行します。データの解析については、テキストプロトコルに記載されています。まず、PMMAディスクを加工します。ディスクの面に欠陥がないようにするため、1/4インチの光学用キャストPMMAシートからディスクを切り出してください。ディスクの直径を爆薬の直径に合わせてください。加工後、ディスクの表面に物理的な欠陥がないか検査します。表面の小さな欠陥は洗浄および研磨を行い、光学的透明度を回復させてください。深い傷や穴などの大きな欠陥がある場合は、ディスクを廃棄して最初からやり直してください。次に、光学的に透明なテープを使用して、アルミ箔を拡散面を下にしてディスクに貼り付けます。アルミ箔をディスクに沿ってなじませ、しわや気泡を取り除きます。前回の手順と同様に、爆薬サンプルペレットの直径、長さ、および質量を測定します。これらのサンプルペレットを用いて爆薬量を作成してください。各爆薬の界面にシリコンベースのエラストマーを塗布し、エアギャップの形成を最小限に抑えます。化学反応を促進しない、適合性が確認されたエラストマーを使用します。次に、到達時間測定用の圧電ピンをアクリル製ホルダーに取り付けます。その後、定常状態の爆速を捕捉するため、負荷をかけたホルダーを電荷の底部付近に装着します。先に、ホルダーのピンが爆薬ビレットの軸と平行に移動することを確認してください。次に、PMMAウィンドウの自由表面にアクリル製PDVプローブホルダーを取り付け、フォトドップラー速度測定（PDV）テストを続行します。その後、PDVプローブをホルダーに挿入し、1 mWの背面反射計を用いてアルミニウム箔に合わせます。PMMAは使用するレーザー光の約90%を透過しますが、使用するディスクの自由表面は非常に鏡面状になっています。そのため、使用するプローブがその自由表面に対して完全に垂直に揃うと、非常に強い後方反射レベルが得られます。もしこの後方反射レベルを検出し、それを目的としているアルミニウムであると誤認した場合、誤ってアライメント完了と判断してしまい、取得しようとしている多くのデータを逃してしまう可能性があります。後方反射が最適になるよう調整した後、PDVプローブをエポキシ樹脂で固定します。次に、ブースターとEBW起爆装置を爆薬に取り付け、アセンブリを完成させます。その後、試験物をチャンバー内に設置し、TOAピンとPDVファイバーを配線します。次に、点火線をRP-80起爆器に接続します。続いて、試験場を確保し、区域封鎖操作を実施してください。すべてのインターロックが作動していること、および全人員の所在が確認されていることを確認してください。最終的な準備として、PDV信号および参照電力レベルを確認し、目的のビート周波数が確実に捕捉されるようにします。次に、高エネルギー点火装置を用いて対象物を起爆させます。PDVおよびTOAデータの両方のオシロスコープ波形を保存してください。記載されたプロトコルを用いて、PAX-30を従来のPBXN-5高エネルギー爆薬と比較しました。起爆後、従来の爆速測定用デントショットによるデントプレートを分析しました。このグラフは、PAX-30の爆速を、従来の高エネルギー爆薬であるPBXN-5と比較して示したものです。PAX-30は、配合中の高エネルギー爆薬が20%少ないにもかかわらず、PBXN-5とほぼ同等の爆速、圧力、および全エネルギーを有しています。これは、独自に設計されたアルミニウム添加剤によるものです。爆薬底部からの粒子の速度に関する光ドップラー速度測定（PDV）のトレースでは、粒子が約3 km/sまで急速に加速したことが示されています。爆轟圧力（チャプラン・ジュゲ圧力）は、生成ガスのHugoniot曲線をCooperの近似を用いてモデリングし、アルミニウム爆薬のHugoniot曲線を適合させた後にCJ点を外挿することで算出した。結果から明らかなように、計算値は圧力をわずかに低く見積もっていた。初期の粒子加速に適合させるための新しい方程式の開発が現在進行中である。このビデオを視聴することで、新しい爆薬組成の爆速および爆轟圧を測定する方法について十分に理解できたはずです。

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