Testy rozwojowe materiałów wybuchowych do zastosowań wojskowych obejmują formułowanie na małą skalę, testy bezpieczeństwa, a na końcu testy wydajności detonacji w celu weryfikacji teoretycznych obliczeń. W tym artykule omówiono typowe testy rozwojowe związane z pomiarem prędkości detonacji i ciśnienia detonacji.
Artykuł metodologiczny
Badania i rozwój materiałów wybuchowych o wysokiej wydajności
W tym artykule
Informacja o sprostowaniu
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Podsumowanie
Streszczenie
Testy rozwojowe materiałów wybuchowych do zastosowań wojskowych obejmują formułowanie na małą skalę, testy bezpieczeństwa, a na końcu testy wydajności detonacji w celu weryfikacji teoretycznych obliczeń. W przypadku nowo opracowanych preparatów proces rozpoczyna się od mieszanek na małą skalę, testów termicznych oraz wrażliwości na uderzenia i tarcie. Dopiero wtedy kolejne preparaty na większą skalę przechodzą do testów detonacyjnych, które zostaną omówione w tym artykule. Ostatnie postępy w technikach charakteryzacji doprowadziły do niezrównanej precyzji w charakterystyce wczesnej ewolucji detonacji. Nowa technika fotonicznej szybkości dopplerowskiej (PDV) do pomiaru ciśnienia detonacji zostanie udostępniona i porównana z tradycyjnymi obliczeniami prędkości detonacji za pomocą światłowodów i wgnieceń płytowych. W szczególności omówiona zostanie rola aluminium w formulacjach wybuchowych. Ostatnie osiągnięcia doprowadziły do opracowania preparatów wybuchowych, które powodują reakcję aluminium na bardzo wczesnym etapie ekspansji produktu detonacji. Ta wzmocniona reakcja prowadzi do zmian prędkości i ciśnienia detonacji w wyniku reakcji aluminium z tlenem w rozprężających się produktach gazowych.
Wprowadzenie
Opracowanie materiałów wybuchowych o wysokiej mocy do zastosowań wojskowych wiąże się z rozległymi kwestiami bezpieczeństwa oraz ograniczeniami zasobów wynikającymi z wymagań dotyczących placówek badawczych. W US Army Armament Research and Development and Engineering Command (ARDEC), Picatinny Arsenal, materiały wybuchowe są oceniane od poziomu badań podstawowych, poprzez monitorowanie pełnego cyklu życia, aż po demilitaryzację. Nowe materiały wybuchowe, które są bezpieczniejsze w obsłudze, przechowywaniu i ładowaniu, są stale ewaluowane w celu zapewnienia skutivej i bezpiecznej amunicji dla żołnierza. Obecne przepisy nakazują, aby w miarę możliwości stosować wytyczne i wymagania dotyczące amunicji niewrażliwej (IM). W związku z tym, podczas syntezy i formulowania nowych materiałów wybuchowych, kluczowe jest przeprowadzenie testów wydajnościowych, aby upewnić się, że spełniają one wymagania użytkownika. W tym kontekście pomiar właściwości detonacyjnych nowo opracowanego materiału PAX-30 jest porównywany z PBXN-5, tradycyjnym materiałem wybuchowym o wysokiej wydajności. W szczególności przedstawiono pomiary prędkości detonacji oraz ciśnienia detonacji, które są istotne dla weryfikacji modeli teoretycznych i obliczeń wydajności. PAX-30 został opracowany w celu zastąpienia starszych materiałów wybuchowych, takich jak PBXN-5, poprzez zastosowanie reaktywnego aluminium.
Aluminium charakteryzuje się wysoką entalpią utleniania w przeliczeniu na mol:
2Al + 3/2 O2 -> Al2O3 (1,670 kJ/mol)
Poprzez zastąpienie składników wybuchowych wrażliwych na wstrząsy aluminium, receptura staje się bezpieczniejsza w obliczu zewnętrznych wstrząsów i zagrożeń. Pozwala to na skuteczne spełnienie wymagań Organizacji Narodów Zjednoczonych w zakresie amunicji niewrażliwej (IM), przy jednoczesnym zachowaniu parametrów niezbędnych dla zastosowań wojskowych.2,3.4
Zaplecze do testowania takich materiałów jest unikalne i wysoce specjalistyczne. W celu przesiewowego badania materiałów wybuchowych przed ich przetwarzaniem w dużych ilościach przeprowadza się wstępne testy. Obejmują one charakterystykę termiczną za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) oraz testy odporności na udar i tarcie. W testach DSC niewielka próbka badawcza jest podgrzewana ze stałą szybkością w atmosferze obojętnej, przy jednoczesnym monitorowaniu ilości i kierunku przepływu ciepła. W testach odporności na udar próbka jest poddawana działaniu ustandaryzowanego spadającego ciężaru (BAM Impact), a w teście tarcia wykorzystuje się ustandaryzowany ceramiczny trzpień i płytkę (BAM Friction).5
Gdy sformułowania zostaną uznane za bezpieczne w obsłudze, dalsze skalowanie procesu odbywa się przy użyciu zastrzeżonych technologii mieszania. W skrócie, materiały wybuchowe dużej mocy dzielą się na trzy kategorie:
Odlew z przetopu, w którym spoiwem jest materiał w fazie stopionej, taki jak wosk, trinitrotoluen (TNT), dinitroanizol (DNAN) lub inny materiał topliwy. Energetyczne ciała stałe lub paliwa mogą zostać włączone przy uważnym rozważeniu wielkości cząstek i kompatybilności.
Utwardzanie odlewem, w którym spoiwem jest polimer odlewniczy, taki jak hydroksyterminowany polibutadien (HTPB), poliakrylan lub inny plastik epoksydowy, który w stanie niereagującym jest cieczą, a po zainicjowaniu twardnieje do formy stałej. Substancje stałe są wbudowywane w matrycę podczas jej stanu ciekłego.
W formie prasowanej zawartość części stałych jest bardzo wysoka, często osiągając niemal 95% wagowo, z dodatkiem lepiszcza, które służy do powlekania cząstek stałych za pomocą procesu lakierowania lub ekstruzji.
Po prasowaniu lub odlewaniu materiały są obrabiane mechanicznie przy użyciu standardowych metod w celu uzyskania odpowiedniej geometrii do wymaganego badania. W niniejszej pracy PAX-30 i PBXN-5 są wysokowydajnymi materiałami wybuchowymi prasowanymi. Formulacje są przygotowywane za pomocą procesu powlekania zawiesiną, w którym energetyczne kryształy nitramin (HMX, RDX lub CL-20) oraz cząstki aluminium są zawieszone w roztworze wodnym. Następnie dodaje się lakier z zastrzeżonym spoiwem. Po dodaniu lakieru polimer pokrywa kryształy materiału wybuchowego, zawiesina jest podgrzewana pod próżnią w celu odparowania rozpuszczalnika, a następnie cząstki są filtrowane i suszone. Powstałe cząstki o strukturze granulek są następnie prasowane do pożądanej konfiguracji.
Prędkość detonacji
Aby określić prędkość detonacji, należy monitorować moment dotarcia frontu detonacji do materiału. Detonację definiuje się jako samopodtrzymujący się, błyskawiczny wzrost ciśnienia i temperatury, który przebiega z prędkością większą niż prędkość dźwięku w danym materiale. Staje się ona samopodtrzymująca, gdy temperatura i ciśnienie są wystarczające do wywołania reakcji egzotermicznych za propagującym się frontem reakcji. Takie zachowanie uzyskuje się poprzez wprowadzenie grup utleniających, takich jak grupy azotanowe, do określonych materiałów konstrukcyjnych. Na Rysunku 1 przedstawiono dwa przykłady: RDX (cyklo-1,3,5-trimetyleno-2,4,6-trinitraminę) oraz HMX (cyklotetrametylenotetranitraminę), które są w dużym stopniu najczęściej stosowanymi materiałami energetycznymi w US DoD (Departamencie Obrony USA). Należy zwrócić uwagę na bilans tlenu w cząsteczkach, który warunkuje samopodtrzymującą się reakcję egzotermiczną za frontem fali uderzeniowej.
Rycina 1. RDX (cyklo-1,3,5-trymetyleno-2,4,6-trinitramina, po lewej) i HMX (cyklotetrametylenotetranitramina, po prawej). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Jednym ze sposobów określenia prędkości frontu detonacji jest monitorowanie jego pozycji w funkcji czasu. Testy prędkości detonacji za pomocą światłowodów (FODV) wykonuje się w celu wyznaczenia prędkości detonacji materiału wybuchowego. Zaprojektowano akrylowy uchwyt do trzymania próbki materiału wybuchowego i rozmieszczenia światłowodów w znanych odstępach wzdłuż długości ładunku. Standardowy test wykorzystuje próbkę materiału wybuchowego o długości 5 cali i średnicy 0,75 cala z pięcioma światłowodami; pierwszy światłowód znajduje się 0,50 cala od dołu ładunku, a każdy kolejny jest umieszczony 1 cal powyżej poprzedniego. Otwory wywiercone w akrylowym uchwycie są otworami dwustopniowymi. Otwór o większej średnicy jest dopasowany do rdzenia i płaszcza światłowodu, natomiast otwór o mniejszej średnicy tworzy ograniczoną przestrzeń powietrzną. W miarę postępu detonacji w próbce materiału wybuchowego wytworzona fala uderzeniowa pobudza uwięzione powietrze, generując krótki, jasny błysk, który można zaobserwować za pomocą światłowodów.
Włókna światłowodowe wykorzystane w tym badaniu posiadają tani rdzeń plastikowy. Ze względu na niszczący charakter testu oraz jednorodność fali uderzeniowej powietrza, uznano, że włókna wyższej jakości nie są konieczne do utrzymania wysokiej jakości danych dotyczących prędkości. Instalacja badawcza w Picatinny Arsenal wykorzystuje sumujące fotodiody do zamiany światła z detonacji na napięcie. Amplituda skoku napięcia nie ma znaczenia dla celów tego badania. Do skrzynki sumującej fotodiod spełniono oscyloskop 1-GHz, choć częstotliwość próbkowania ta znacznie przekracza wymagania dla tego testu. „Piki” światłowodowe mogą być wyznaczane albo poprzez pierwszy wzrost sygnału, albo przez wartości szczytowe. Na podstawie odległości między światłowodami oraz różnicy czasu dotarcia detonacji wyznacza się następnie prędkość detonacji.
Ciśnienie detonacji
Ciśnienie detonacji szacuje się poprzez pomiar głębokości wgniecenia w standardowej stalowej płycie powstałego w wyniku detonacji materiału wybuchowego. Głębokości wgnieceń wykazują silną korelację z knownnymi wartościami ciśnienia dla wielu związków wybuchowych. Zazwyczaj, ponieważ większość materiałów wybuchowych spełnia warunek Chapmana-Jougueta (CJ) dla zajścia detonacji, ciśnienie detonacji określa się zazwyczaj jako ciśnienie CJ i tak będzie ono nazywane w dalszej części niniejszego artykułu. Zespół ładunku umieszcza się na stalowej płycie, nazywanej „płytą świadkiem”, a detonacja powoduje powstanie wgniecenia w płycie. Głębokość wgniecenia przy standardowej średnicy ładunku 0,75 cala dla licznych materiałów wybuchowych o znanych ciśnieniach detonacji jest następnie porównywana z głębokością wgniecenia z badania. Wyznaczanie ciśnienia detonacji za pomocą wgniecenia w płycie jest niezawodną metodą z wieloletnimi udokumentowanymi danymi potwierdzającymi dopuszczalne korelacje. Jednak detonacja jest dynamiczną, szybką reakcją chemiczną i w ostatnich latach pojawiła się potrzeba wykorzystania narzędzi o wyższej rozdzielczości do obserwacji przebiegu ciśnienia w czasie.
Do bezpośredniego pomiaru ciśnienia detonacyjnego materiału wybuchowego można również zastosować fotoniczną welocymetrię dopplerowską (PDV). Ten system interferometru laserowego został opracowany przez Lawrence Livermore National Laboratory i wykorzystuje laser CW o długości fali 1 550 nm. Poprzez skierowanie wiązki lasera na ruchomy cel i zbieranie światła przesuniętego dopplerowsko, analizowana częstotliwość dudnienia pozwala na uzyskanie przebiegu prędkości celu. W przeciwieństwie do tradycyjnych technik fotografii wysokiej prędkości, przebiegi prędkości te zapewniają ciągły zapis prędkości celu w funkcji czasu. Metoda pomiarowa ta zyskała znaczną popularność w ciągu ostatnich kilku lat i staje się powszechna w laboratoriach charakterystyki materiałów wybuchowych Departamentu Obrony (DoD) oraz Departamentu Energii (DoE).
W celu obliczenia ciśnienia CJ nowego materiału wybuchowego można zastosować system PDV do pomiaru prędkości cząsteczek na styku materiału wybuchowego i okna z polimetakrylanu metylu (PMMA). Na tym interfejsie umieszcza się bardzo cienką folię, zazwyczaj aluminiową lub miedzianą, która pełni rolę powierzchni odbijającej. Folia ta powinna być na tyle cienka, aby zapobiec znacznemu tłumieniu fali uderzeniowej, a jednocześnie na tyle gruba, aby zapobiec przenikaniu światła detonacyjnego. Zazwyczaj grubość folii wynosząca 1 000 angstroms jest optymalna dla większości układów eksperymentalnych. Znając prędkość cząsteczek w PMMA oraz prędkość detonacji materiału wybuchowego, ciśnienie detonacji można obliczyć za pomocą równań dopasowania fal uderzeniowych Hugoniota.6
Podczas gdy test FODV przy średnicy ładunku 0,75” jest uznanym standardem w ARDEC, testy oparte na PDV są stale udoskonalane. W zależności od składu materiału wybuchowego, jeden lub oba te testy mogą być wykorzystane do określenia prędkości detonacji oraz ciśnienia detonacji.
Protokół
UWAGA! Przetwarzanie, obchodzenie się i testowanie materiałów wybuchowych (materiałów klasy 1 klasy zagrożenia) powinno być wykonywane wyłącznie przez przeszkolony i wykwalifikowany personel. Materiały wybuchowe są wrażliwe na uderzenia, tarcie, wyładowania elektrostatyczne i wstrząsy. Używaj wyłącznie zatwierdzonych ośrodków badawczo-rozwojowych, które mogą obsługiwać duże ilości materiałów klasy 1.
1. Test prędkości detonacji światłowodu ARDEC
- Przytnij światłowód na długość za pomocą nożyc światłowodowych i połącz w zestawy po pięć. W oparciu o geometrię komór testowych specyficznych dla danego miejsca, zwykle stosuje się długości 15 metrów. Zdejmij izolację z materiału osłony na 15 mm z jednego końca wiązki i 5 mm z drugiego końca wiązki. Wypoleruj odcięte końce światłowodów papierem ściernym o ziarnistości P800, aby usunąć wszelkie zadziory.
Uwaga: Ze względu na destrukcyjny charakter tego testu, preferowane jest światłowód z tworzywa sztucznego. Właściwości światłowodu są następujące; Materiał rdzenia z żywicy polimetakrylanu metylu (PMMA) (średnica 980 μm), materiał okładzinowy z polimeru fluorowanego (średnica 1 000 μm), współczynnik załamania światła rdzenia 1,49, apertura numeryczna 0,5. - Zmierz średnice, długości i masy granulek wzmacniających A-3 typu II za pomocą suwmiarki i wagi o wysokiej dokładności.
Uwaga: Podczas gdy typowy test wykorzystuje granulki o średnicy 1,905 cm i długości 2,54 cm, procedura testowa może być stosowana z granulkami o dowolnym rozmiarze, pod warunkiem, że plastikowa oprawa utrzymuje światłowodowy wyśrodkowany na każdej kulce. Do testów w tym badaniu użyto granulek o średnicy 1,905 cm. - Załaduj wybuchowe granulki, jeden po drugim, do plastikowego uchwytu, zwiększając wewnętrzną średnicę rurki poprzez podważenie szczeliny. Zapisz liczbę i lokalizacje wybuchowych kulek w urządzeniu. Następnie załaduj granulat wzmacniający do rurki od góry oprawy.
- Umieść akrylowy uchwyt detonatora na wierzchu kulki detonatora.
Uwaga: Zazwyczaj używane są wybuchające detonatory mostkowe (EBW) RP-502. Inne zapalniki mogłyby zostać zastąpione, chociaż konieczna byłaby ponowna kalibracja testu. - Włóż krótsze odsłonięte końce (5 mm) światłowodów do dwustopniowych otworów w urządzeniu do badania prędkości detonacji.
Uwaga: Dwustopniowe otwory zapewniają wystarczającą ilość powietrza do jonizacji po przejściu frontu detonacji, co prowadzi do silnego sygnału. Otwory na oprawę powinny mieć otwór wewnętrzny o średnicy 0,021 cala i długości 0,020 długości przed materiałem wybuchowym oraz otwór o średnicy 0,042 cala do włożenia światłowodu. Jeśli stosowane są włókna z tworzywa sztucznego, może być konieczne lekkie szlifowanie zewnętrznej średnicy światłowodu, w zależności zarówno od średnicy włókna, jak i tolerancji osprzętu testowego. Upewnij się, że światłowód jest całkowicie włożony (osadzony na stopniu w dwustopniowym otworze). - Przyklej/żywica epoksydowa włókna na miejscu. Użyj 5-minutowej żywicy epoksydowej do tego protokołu.
- Gdy żywica epoksydowa przytrzymująca włókna w pełni się utwardzi, umieść akrylową rurkę zawierającą wybuchowe granulki na stalowej płycie obserwacyjnej. Przymocuj uchwyt tekstowy do stalowej płyty za pomocą ciężarka na niej lub taśmy. Upewnij się, że nie ma szczeliny powietrznej między dolną powierzchnią ostatniego wybuchowego granulatu a stalową płytą kontrolną.
- Żywica epoksydowa 360° wokół uchwytu testowego, przyklejając go do tabliczki znamionowej. Po całkowitym utwardzeniu żywicy epoksydowej umieść detonator w uchwycie zapalnika, który znajduje się w górnej części uchwytu testowego i zabezpiecz go taśmą.
- Przetransportować przyrząd testowy do komory testowej i włożyć dłuższe odsłonięte końce (15 mm) światłowodów do skrzynki sumującej fotodiody. Podłącz skrzynkę sumującą fotodiody lub inną metodę pozyskiwania danych, w zależności od potrzeb, do oscyloskopu (szerokość pasma 1 GHz jest więcej niż wystarczająca).
- Podłącz linię ognia do detonatora RP-80. Zamknij wszystkie wymagane drzwi/porty/itp. i przeprowadź operacje blokady obszaru zgodnie z SOP dotyczącymi próbnego odpalania materiałów wybuchowych w obiekcie (standardowe procedury operacyjne).
- Potwierdź ustawienia wyzwalania oscyloskopu, napięcia/podziału, czasu/podziału. Podłącz wyzwalacz z paleniska wysokiego napięcia o progu wyzwalania 3.0 V do jednego kanału na oscyloskopie. Podłącz skrzynkę sumującą fotodiody do drugiego kanału na oscyloskopie. Ustaw oba kanały na 5 V/działkę, a podstawę czasu na 5 μs/działkę, z ustawieniem opóźnienia -20 μs.
- Zdetonuj przedmiot za pomocą wysokoenergetycznego podpalacza.
- Zmierz piki odpowiadające czasowi z wyjścia skrzynki sumującej fotodiody. Na podstawie śladu ekranu oscyloskopu użyj napięć szczytowych, aby określić określone czasy, chociaż pierwszy wzrost może być lepszym wskaźnikiem w zależności od używanego sprzętu.
- Oblicz prędkość detonacji na podstawie pięciu punktów czasowych uzyskanych z oscyloskopu. Ponieważ odstępy między każdym światłowodem są znane, oblicz prędkość detonacji, dzieląc odległość między każdym pinem przez czas między każdym szczytem (odległość/czas = prędkość). Podaje się zarówno średnią, jak i odchylenie standardowe.
- Oblicz głębokość wgniecenia w stalowej płycie progowej, umieszczając skalibrowane stalowe łożysko w wgnieceniu, aby znaleźć minimalny poziom, a następnie ogranicznik głębokości używany do określenia głębokości.
2. Fotodopplerowska prędkość
- Obrobić okienko PMMA o średnicy ładunku wybuchowego o grubości około 6,5 mm. Upewnij się, że okno jest optycznie przezroczyste i wolne od jakichkolwiek wad obróbki. Aby to osiągnąć, weź optycznie przezroczysty arkusz odlewu akrylowego i obrób dyski za pomocą wycinarki laserowej lub podobnego procesu obróbki. Następnie należy wypolerować PMMA, aby uzyskać optycznie przezroczystą powierzchnię.
- Upewnij się, że grubość folii aluminiowej nie przekracza 0.005 cala zgodnie ze specyfikacją producenta. Jeśli powierzchnia folii jest nieskazitelna (lustrzana), przetocz ją po powierzchni za pomocą szlifowanego łożyska kulkowego ze stali nierdzewnej. Rozproszona powierzchnia zapewnia optymalne odbicie wsteczne lasera, nawet gdy wyrównanie jest nieco przesunięte.
- Użyj cienkiej, optycznie przezroczystej taśmy klejącej na bazie akrylu, aby przymocować folię aluminiową do okienka PMMA. Upewnij się, że między PMMA a aluminium nie ma pęcherzyków powietrza.
- Zmierz średnice, długości i masy granulek próbki do badania materiałów wybuchowych. Używaj suwmiarki i wagi o wysokiej dokładności.
- Umieścić granulki próbki do badań wybuchowych względem siebie w celu utworzenia ciągłego ładunku, łącznie z wszelkimi (jeśli to konieczne). Nałóż smar na każdy wybuchowy interfejs podczas montażu, aby zminimalizować szczeliny powietrzne na interfejsach peletów.
- Zamontuj kołki prędkości detonacji w akrylowym uchwycie. Mogą to być zarówno włókna światłowodowe, jak i piny piezoelektryczne. Położenie kołków w stosunku do ładunku musi być znane.
- Przymocuj akrylowy uchwyt kołka do pomiaru prędkości detonacji na ładunku. Taśma wystarczy, aby przytrzymać akrylowy uchwyt szpilki do ładunku. Zazwyczaj lokalizacje światłowodów/pinów znajdują się najbliżej dna ładunku wybuchowego, tak że można zaobserwować detonację w stanie ustalonym.
- Przymocuj detonator do ładunku. Odwróć zmontowany ładunek i ustabilizuj go w tej orientacji, aby przygotować się do zamocowania okna PMMA. Umieść niewielką ilość smaru na powierzchni wybuchowej, aby zapobiec powstawaniu pęcherzyków powietrza na granicy aluminium/materiał wybuchowy.
- Przymocować foliową stronę okienka PMMA do ładunku wybuchowego. Jeśli okno i ładunek są koncentryczne, użyj taśmy obwodowo. Jeśli nie, przyklej taśmą oś ładunku wybuchowego.
- Gdy okienko PMMA zostanie bezpiecznie przymocowane do ładunku wybuchowego, przymocuj akrylowy uchwyt sondy PDV do okienka PMMA za pomocą taśmy. Włóż sondę PDV do uchwytu sondy PDV.
- Dopasuj sondę PDV w uchwycie do miernika odbicia wstecznego. To urządzenie wysyła wiązkę laserową o małej mocy i mierzy amplitudę odbicia wstecznego. Pożądane jest odbicie wsteczne od -10 dbm do -20 dbm. Żywica epoksydowa sonda PDV na miejscu po ustaleniu, że odbicie wsteczne jest optymalne.
- Umieść badany przedmiot w komorze i podłącz zarówno przewody prędkości detonacji (światłowodowe lub piezoelektryczne), jak i światłowód PDV. Podłącz linię zapłonową do detonatora RP-80. Zamknij wszystkie wymagane drzwi/porty/itp. i przeprowadź operacje blokady obszaru zgodnie z SOP odpalania prób wybuchowych w obiekcie.
- Potwierdź ustawienia wyzwalania oscyloskopu, napięcia/podziału, czasu/podziału. Potwierdź ustawienia systemowe PDV. Obserwuj amplitudy lasera sygnałowego i lasera referencyjnego i modyfikuj je w razie potrzeby.
- Zdetonuj przedmiot za pomocą wysokoenergetycznego podpalacza. Zapisz ślady oscyloskopu zarówno dla danych PDV, jak i danych o prędkości detonacji.
- Analizuj dane PDV w odpowiednim programie do analizy danych. Surowy sygnał PDV musi być przetworzony przy użyciu pakietu analitycznego opartego na szybkiej transformacji Fouriera (FFT).
Uwaga: Patrząc na zawartość częstotliwości tego surowego sygnału i znając początkową częstotliwość źródła światła (1550 nm), pakiet analityczny FFT tworzy spektrogram prędkości, który wykreśla zarejestrowaną prędkość w funkcji czasu. W tym przypadku PlotData, zastrzeżony graficzny interfejs użytkownika (GUI) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, jest używany w połączeniu z oprogramowaniem LabView do przeprowadzenia FFT. Istnieje jednak wiele dostępnych na rynku pakietów analitycznych, które są w stanie wykonać te zadania. - Oblicz prędkość detonacji na podstawie pięciu punktów czasowych uzyskanych z oscyloskopu. Ponieważ odstępy między każdym światłowodem są znane, prędkość detonacji oblicza się, dzieląc odległość między każdym pinem przez czas między każdym szczytem (odległość/czas = prędkość). Podaje się średnią i odchylenie standardowe.
Wyniki
Typowy układ dla PDV przedstawiono na Rysunkach 2 i 3, natomiast układ FODV przedstawiono na Rysunku 4. Po detonacji, powstałe płytki wklęsłe z tradycyjnych wystrzałów FODV pokazano na Rysunku 5, a wyniki położenie/czas dla PAX-30 i PBXN-5 na Rysunku 6. Oba materiały wykazują podobne prędkości detonacji (nachylenie linii), przy czym PAX-30 jest o ok. 0,4 µsec/mm wolniejszy. Choć różnica ta może wydawać się nieznacząca, jest ona istotna w świetle faktu, że PAX-30 posiada prawie o 20% mniejszą masową zawartość materiału wybuchowego. Prędkość detonacji nie jest rozstrzygającym testem do ilościowego określenia reakcji aluminium w samym froncie lub bezpośrednio za frontem detonacji, ale może służyć do wstępnej oceny reakcji aluminium.
Rycina 2. Typowy układ PDV. Kulki wybuchowe lub odlewane pręty są ułożone w stos. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 3. Konfiguracja PDV (zbliżenie). Układ PDV u podstawy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.
Rycina 4. Układ FODV. Pręt jest przyklejony żywicą epoksydową do stalowej płytki kontrolnej, aby zapewnić trwały kontakt i pionową pozycję podczas montażu. Detonator i booster znajdują się w górnej części pręta. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 5. Wgniecenie z testu FODV. Wgniecenie jest mierzone za pomocą skalibrowanego głębokościomierza lub profilometru. Aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.
Rycina 6. Obliczenia prędkości detonacji. Każdy punkt danych pochodzi z pinów światłowodowych w układzie FODV. PAX-30 R2 = 0,999717, RMSE (pierwiastek z błędu średniokwadratowego) = 0,519693; PBXN-5 R2 = 0,998778, RMSE = 1,342272. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.
| Eksplozywny | n | Prędkość detonacji (mm/μsec) | Ciśnienie CJ (GPa, wklucie w płytce) | Ciśnienie CJ (GPa, PDV) |
| PBXN-5 | 3 | 8.83 ± 0.12 | 37.9 ± 1.4 | 34.7 ± 0.0 |
| PAX-30 | 3 | 8.48 ± 0.04 | 32.3 ± 1.3 | 30.5 ± 0.3 |
Tabela 1. Dane wydajności z eksperymentów. n oznacza całkowitą liczbę testów, z których każdy obejmował 5 pinów światłowodowych. Ciśnienie PDV CJ składa się tylko z jednego testu.
Wynik pomiaru PDV z dołu ładunku wybuchowego z rysunków 2-3 przedstawiono na rysunku 7. Ciśnienie CJ oblicza się poprzez modelowanie Hugoniota gazów produktów z wykorzystaniem przybliżenia Coopera,6 a następnie ekstrapolację punktu CJ po dopasowaniu Hugoniota dla układu PMMA- materiał wybuchowy. Typowy wydruk z ekranu z takiego obliczenia przedstawiono na rysunku 8. Technika ta nadal posiada pewne ograniczenia, ponieważ obliczenia zakładają liniową ekstrapolację od początku przebiegu prędkości okna. Skutkuje to lekkim niedoszacowaniem ciśnienia, co potwierdzają wyniki (tabela 1).
Rycina 7. Prędkość okna jako funkcja czasu podczas pomiaru ciśnienia CJ. Zwróć uwagę na doskonałą zgodność pomiędzy różnymi strzałami, w których ślady praktycznie nakładają się na siebie.Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 8. Obliczenie ciśnienia CJ z eksperymentu PDV. Należy zauważyć, że ekstrapolacja zakłada liniowe przyspieszenie w początkowym pchnięciu okna, co obecnie prowadzi do niedoszacowania ciśnienia CJ. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 9. Przedstawienie izentrop prężenia dla aluminium przereagowanego i nieprzereagowanego w produktach detonacji. Niebieskie linie proste to rozwiązania styczne, które są proporcjonalne do prędkości detonacji. Należy zauważyć, że rozwiązanie dla produktów przereagowanego Al wymusza niższą prędkość detonacji niż w przypadku rozwiązania dla Al nieprzereagowanego. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Dyskusja
Zwróć uwagę na obliczone różnice ciśnień między dwoma preparatami wybuchowymi. Aluminiowany materiał wybuchowy wykazuje mniejsze ciśnienie, częściowo z powodu mniejszego obciążenia azotem (HMX), ale także dlatego, że aluminium reaguje z tlenem w rozprężających się gazach detonacyjnych, co skutkuje mniejszym wgnieceniem przy niższym ciśnieniu detonacji. PBXN-5 wywiera wyższe ciśnienie detonacji ze względu na wyższą zawartość gazu podczas detonacji w porównaniu z PAX-30 (36,2 moli/kg dla PBXN-5 w porównaniu z 33,1 molami/kg dla PAX-30). Bardziej zaawansowane równania stanu (EOS) wyprowadzone z pomiarów prędkości ścian są używane do opisania warunków produktów wybuchowych w tak ekstremalnych temperaturach i ciśnieniach. 10,11 Będzie to tematem przyszłych manuskryptów.
Okazało się, że gdy zachodzi wczesna reakcja metalu z materiałem wybuchowym, wykrywana prędkość detonacji jest mniejsza niż w przypadku, gdyby metal nie reagował. Jest to nieco sprzeczne z intuicją; Można by się spodziewać, że prędkość wzrośnie, jeśli więcej energii osadzi się w rozszerzającym się froncie detonacji z powodu egzotermicznej reakcji aluminium. Spadek prędkości detonacji wynika z roztworów Hugoniotów o gęstości ciśnienia. Objętość właściwa (gęstość odwrotna)-ciśnienie izentropowe oznacza zmiany w miarę rozszerzania się produktów z detonacji (od lewej do prawej na rysunku 9). 6 Izentrop ekspandacyjny reprezentuje te produkty detonacji, które mogą termodynamicznie formować się i rozszerzać wzdłuż krzywej objętości właściwej dla ciśnienia. W trakcie rozprężania, jeśli aluminium reaguje, tworząc utlenione substancje, powoduje to ogólny spadek gęstości gazu i prowadzi do mniejszej prędkości. Przejawia się to w isentropie ekspandacyjnym poniżej roztworu dla niereaktywnego aluminium (ryc. 9). Ponieważ prędkość detonacji jest linią styczną przecinającą izentrop od gęstości początkowej na osi x, oczywiste jest, że prędkość detonacji musi się zmniejszyć, gdy aluminium w preparacie reaguje.
Podsumowując, Departament Obrony Stanów Zjednoczonych nadal aktywnie prowadzi badania stosowane i charakteryzację nowych materiałów energetycznych za pomocą zarówno tradycyjnych, jak i nowatorskich technologii. W przypadku PDV jest to cenne narzędzie, które charakteryzuje materiały wybuchowe z niezwykłą dokładnością i dostarcza badaczom cennych informacji na temat skuteczności materiałów wybuchowych. Ten szybki cykl testowy znacznie obniża koszty i czas potrzebny na optymalizację receptury i weryfikację wymagań.
Oświadczenia
DYSTRYBUCJA A: Zatwierdzony do publicznego wydania; Dystrybucja jest nieograniczona. Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Autorzy chcieliby podziękować programowi Future Requirement of Enhanced Energetics for Decisive Munitions (FREEDM) za dofinansowanie, Mike'owi Van De Waalowi i Gerardowi Gillenowi za pomoc w testowaniu, Pauli Cook za pomoc w formułowaniu, oraz Ralphowi Acevedo i Brianowi Traversowi za prasowanie próbek.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| cylkotrametylotetranitamina | BAE | Class 5 | 1.1D, aluminium odłamkowo-burzące |
| Valimet | Opatentowany | ||
| Viton | 3M | ||
| Dow | Corning Sylgard 182 | Uszczelniacz szczelin |
Bibliografia
- Title 10, Chapter 141, Section 2389. United States Code. , (2001).
- Anderson, P. E., Cook, P., Davis, A., Mychajlonka, K. The Effect of Binder Systems on Early Aluminum Reaction in Detonations. Propellants, Explosives, and Pyrotechnics. 38 (4), 486-494 (2013).
- Trzcinski, W. A., Cudzilo, S., Paszula, J. Studies of Free Field and Confined Explosions of Aluminum Enriched RDX Compositions. Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 32 (6), 502-508 (2007).
- 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).
- United Nations. Recommendations on the Transport of Dangerous Goods—Tests and Criteria, revisions adopted by reference (A.1), ST/SG/AC.10/11. , United Nations Publication. New York, New York. (2013).
- Cooper, P. W. Explosives Engineering. , Wiley-VCH. New York. (1996).
- Chapman, D. L. On the rate of explosion in gases. Philosophical Magazine Series 5. 47 (284), 90-104 (1899).
- OT, S. trand, Goosman, D. R., Martinez, C., Whitworth, T. L., Kuhlow, W. W. Compact system for high-speed velocimetry using heterodyne techniques. Review of Scientific Instruments. 77 (8), (2006).
- Manner, V. W., Pemberton, S. J. The role of Aluminum in the Detonation and Post-detonation expansion of Selected Cast HMX-Based Explosives. Propellants, Explosives, and Pyrotechnics. 37 (2), 198-206 (2012).
- 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).
- 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).
Przedruki i uprawnienia
Sprostowanie
Formal Correction: Erratum: Research and Development of High-performance Explosives
Posted by JoVE Editors on 6/30/2016. Citeable Link.
An erratum was issued for Research and Development of High-performance Explosives. 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:
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:
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.
