Badania i rozwój materiałów wybuchowych o wysokiej wydajności

Podsumowanie

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.

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

Rozwój materiałów wybuchowych do użytku wojskowego wiąże się z obszernymi względami bezpieczeństwa i ograniczeniami zasobów wynikającymi z wymagań dotyczących obiektów testowych. W Dowództwie Badań i Rozwoju i Inżynierii Uzbrojenia Armii Stanów Zjednoczonych (ARDEC), Picatinny Arsenal, materiały wybuchowe są oceniane od poziomu badawczego poprzez pełne monitorowanie cyklu życia i demilitaryzację. Nowe materiały wybuchowe, które są bezpieczniejsze w obsłudze, przechowywaniu i ładowaniu, są stale oceniane w celu zapewnienia skutecznej i bezpiecznej amunicji dla żołnierzy. Najnowsze prawo nakazuje, aby w miarę możliwości przestrzegać wytycznych i wymagań dotyczących amunicji niewrażliwej (IM). Dlatego za każdym razem, gdy nowe materiały wybuchowe są syntetyzowane i formułowane, testy wydajności mają kluczowe znaczenie, aby upewnić się, że spełniają one wymagania użytkowników. W tym kontekście, pomiar właściwości detonacyjnych nowo opracowanego PAX-30 jest porównywany z PBXN-5, tradycyjnym materiałem wybuchowym o wysokiej wydajności. W szczególności udostępniane są pomiary prędkości detonacji i ciśnienia detonacji, które są ważne dla weryfikacji modeli teoretycznych i obliczeń wydajności. PAX-30 został opracowany w celu zastąpienia starszych materiałów wybuchowych, takich jak PBXN-5, przy użyciu reaktywnego aluminium.

Aluminium posiada wysoką entalpię utleniania niż aluminium w przeliczeniu na mol:

2Al + 3/2 O>₂ -> Al₂O₃ (1,670 kJ/mol)

Poprzez dodanie aluminium w miejsce wrażliwych na wstrząsy składników wybuchowych, preparat staje się bardziej bezpieczny dla zewnętrznych wstrząsów i zagrożeń. Pomaga to skutecznie spełnić wymagania Organizacji Narodów Zjednoczonych dotyczące amunicji niewrażliwej (IM), jednocześnie utrzymując wydajność niezbędną do zastosowań wojskowych. ^2,3.4

Obiekty do testowania takich przedmiotów są unikalne i wysoce wyspecjalizowane. Niektóre wstępne testy są przeprowadzane w celu przesiewania materiałów wybuchowych przed obróbką w dużych ilościach. Testy te obejmują charakterystykę termiczną za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) oraz testy udarności i tarcia. W przypadku testów DSC mała próbka testowa jest podgrzewana ze stałą szybkością w atmosferze obojętnej, a ilość i kierunek przepływu ciepła są monitorowane. W przypadku testów udarności i tarcia próbka jest poddawana onieczyszczeniom spowodowanym znormalizowanym spadającym ciężarkiem (Bundesanstalt für Materialprüfung lub BAM Impact), a w teście tarcia znormalizowanym ceramicznym trzpieniem i płytką (Bundesanstalt für Materialprüfung lub BAM Friction). ⁵

Gdy preparaty zostaną uznane za bezpieczne do stosowania, dalsze zwiększanie skali odbywa się za pomocą zastrzeżonych technologii mieszania. Krótko mówiąc, materiały wybuchowe dzielą się na trzy kategorie:

Melt-cast, w którym spoiwem jest materiał w fazie topnienia, taki jak wosk, trinitrotoluen (TNT), dintroanizol (DNAN) lub inny topliwy materiał. Wysokoenergetyczne lub paliwowe ciała stałe mogą być włączane po starannym rozważeniu wielkości cząstek i kompatybilności.

Utwardzanie odlewem, w którym spoiwem jest polimer do odlewania, taki jak polibutadien zakończony hydroksylem (HTPB), poliakrylan lub inne tworzywo epoksydowe, które jest płynne w stanie niereagowanym, ale po zainicjowaniu krzepnie do postaci stałej. Ciała stałe są włączane do matrycy w stanie ciekłym.

Prasowane, w którym obciążenie ciałami stałymi jest bardzo wysokie, często zbliżając się do prawie 95% wagowo, z dodatkiem spoiwa, które jest dodawane w celu pokrycia ciał stałych za pomocą procesu lakierowania lub wytłaczania.

Po sprasowaniu lub odlaniu, materiały są obrabiane przy użyciu standardowych metodologii, aby uzyskać odpowiednią geometrię dla pożądanego testu. W tym artykule PAX-30 i PBXN-5 to wysokowydajne prasowane materiały wybuchowe. Preparaty są wytwarzane w procesie powlekania zawiesiną, w którym energetyczne kryształy azotaminy (HMX, RDX lub CL-20) i cząstki aluminium są zawieszone w roztworze wodnym. Następnie dodawany jest lakier z zastrzeżonym spoiwem. Po dodaniu lakieru polimer pokrywa kryształy wybuchowe, zawiesina jest podgrzewana w próżni w celu usunięcia rozpuszczalnika, a cząstki są następnie filtrowane i suszone. Cząstki przypominające granulki są następnie prasowane do pożądanej konfiguracji.

Prędkość detonacji

Aby określić prędkość detonacji, należy monitorować nadejście frontu detonacji w materiale. Detonacja jest definiowana jako samopodtrzymujący się chwilowy wzrost ciśnienia i temperatury, który jest szybszy niż prędkość dźwięku w materiale. Staje się samowystarczalny, gdy temperatura i ciśnienie są wystarczające do zapewnienia reakcji egzotermicznych za frontem reakcji propagacji. Takie zachowanie jest realizowane poprzez włączenie ugrupowań utleniających, takich jak grupy azotanowe, do niektórych materiałów formacji. Dwa przykłady znane jako RDX (cyklo-1,3,5-trimetylen-2,4,6-trinitramina) i HMX (cyklotetrametylenotetranitramina) są pokazane na rysunku 1, które są w zasadzie najczęściej używanymi materiałami energetycznymi w amerykańskim DoD (Departament Obrony). Zwróć uwagę na równowagę tlenową cząsteczek cząsteczek, która powoduje samorozprzestrzeniającą się reakcję egzotermiczną za frontem wstrząsu.

Rysunek 1. RDX (cyklo-1,3,5-trimetyleno-2,4,6-trinitramina, po lewej) i HMX (cyklotetrametylenotetranitramina, po prawej).Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Jednym ze sposobów na określenie prędkości frontu detonacji jest monitorowanie jego pozycji w funkcji czasu. Badanie prędkości detonacji światłowodu (FODV) wykonuje się w celu określenia prędkości detonacji materiału wybuchowego. Akrylowa oprawa została zaprojektowana do utrzymywania próbki materiału wybuchowego i lokalizowania światłowodów w znanych odległościach na długości ładunku. Standardowy test wykorzystuje próbkę wybuchową o długości 5 cali i średnicy 0,75 cala z pięcioma włóknami światłowodowymi; Dolne włókno znajduje się 0,50 cala od dna wsadu, a każde kolejne włókno znajduje się 1 cal nad następnym. Otwory wywiercone w oprawie akrylowej są otworami dwustopniowymi. Otwór o większej średnicy jest dopasowany do rdzenia i obudowy światłowodu, a otwór o mniejszej średnicy służy jako ograniczona przestrzeń powietrzna. W miarę postępu detonacji w próbce materiału wybuchowego, wytworzona fala uderzeniowa wzbudza zamkniętą przestrzeń powietrzną, wytwarzając krótki, jasny błysk, który można zaobserwować za pomocą światłowodów.

Światłowody użyte do tego testu mają niedrogi rdzeń z tworzywa sztucznego. Ze względu na destrukcyjny charakter testu i konsystencję wstrząsu powietrznego, włókna wyższej jakości nie okazały się niezbędne do utrzymania wysokiej jakości danych dotyczących prędkości. Placówka testowa w Picatinny Arsenal wykorzystuje zsumowane fotodiody do translacji światła z detonacji na napięcie. Amplituda skoku napięcia nie ma znaczenia dla celów tego badania. Oscyloskop 1 GHz jest podłączony do skrzynki sumującej fotodiody, chociaż ta częstotliwość próbkowania znacznie wykracza poza to, co jest konieczne dla tego testu. "Piki" światłowodu mogą być określone przez pierwszy wzrost sygnału lub wartości szczytowe. Biorąc pod uwagę odległość między światłowodami i różnicę czasu między nadejściem detonacji, określa się prędkość detonacji.

Ciśnienie detonacji

Ciśnienie detonacji jest szacowane poprzez pomiar głębokości wgniecenia w standardowej płycie stalowej powstałego w wyniku detonacji materiału wybuchowego. Głębokości wgnieceń są dobrze skorelowane ze znanymi wartościami ciśnienia dla różnych związków wybuchowych. Zazwyczaj, ponieważ większość materiałów wybuchowych spełnia warunek Chapmana-Jougueta (CJ), aby doszło do detonacji, ciśnienie detonacji jest zwykle określane jako ciśnienie CJ i będzie od tego momentu w tym artykule. Zespół ładunku jest umieszczany na stalowej płycie, zwanej "płytą świadka", a detonacja powoduje wgniecenie w płycie. Głębokość wgniecenia przy standardowej średnicy ładunku 0,75 cala dla wielu materiałów wybuchowych o znanym ciśnieniu detonacji jest następnie porównywana z testową głębokością wgniecenia. Ciśnienie detonacji przez wgniecenie płytki jest wiarygodną metodą z wieloma latami udokumentowanymi danymi dla akceptowalnych korelacji. Jednak detonacja jest dynamiczną, szybką reakcją chemiczną, a w ostatnich latach pożądane stało się użycie narzędzi o wyższej rozdzielczości do obserwacji historii ciśnienia i czasu.

Aby bezpośrednio zmierzyć ciśnienie detonacji materiału wybuchowego, można również użyć fotonicznej prędkości dopplerowskiej (PDV). Ten system interferometru laserowego został opracowany przez Lawrence Livermore National Laboratory i wykorzystuje źródło lasera CW o długości fali 1,550 nm. Kierując laser na ruchomy cel i zbierając światło przesunięte dopplerowsko, wynikowa częstotliwość uderzeń może być analizowana w celu zapewnienia śladu prędkości celu. W przeciwieństwie do tradycyjnych technik fotograficznych wykorzystujących dużą szybkość, te ślady prędkości zapewniają ciągły zapis prędkości celu w funkcji czasu. Ta technika pomiarowa zyskała znaczną uwagę w ciągu ostatnich kilku lat i staje się wszechobecna w laboratoriach charakteryzujących materiały wybuchowe Departamentu Obrony i Departamentu Energii (DoE).

Aby obliczyć ciśnienie CJ nowego materiału wybuchowego, system PDV może być użyty do pomiaru prędkości cząstek między materiałem wybuchowym a oknem z polimetakrylanu metylu (PMMA). Na tym interfejsie umieszcza się bardzo cienką folię, zwykle aluminiową lub miedzianą, która działa jak powierzchnia odblaskowa. Folia ta powinna być wystarczająco cienka, aby zapobiec znacznemu tłumieniu fali uderzeniowej, a jednocześnie wystarczająco gruba, aby zapobiec przedostawaniu się światła detonacyjnego. Zazwyczaj grubość folii wynosząca 1,000 angstremów jest idealna dla większości konfiguracji eksperymentalnych. Biorąc pod uwagę prędkość cząstek w PMMA i prędkość detonacji materiału wybuchowego, ciśnienie detonacji można obliczyć za pomocą równań dopasowania wstrząsów Hugoniota. ⁶

Podczas gdy test FODV przy średnicy ładunku 0,75" jest ustalonym standardem w ARDEC, testy oparte na PDV są ciągle udoskonalane. W zależności od formuły materiału wybuchowego, do scharakteryzowania prędkości detonacji i ciśnienia detonacji można zastosować jeden lub oba testy.

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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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).
6. Przyklej/żywica epoksydowa włókna na miejscu. Użyj 5-minutowej żywicy epoksydowej do tego protokołu.
7. 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.
8. 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.
9. 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).
10. 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).
11. 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.
12. Zdetonuj przedmiot za pomocą wysokoenergetycznego podpalacza.
13. 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.
14. 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.
15. 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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Zmierz średnice, długości i masy granulek próbki do badania materiałów wybuchowych. Używaj suwmiarki i wagi o wysokiej dokładności.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. Przymocować foliową stronę okienka PMMA do ładunku wybuchowego. Jeśli okno i ładunek są koncentryczne, użyj taśmy obwodowo. Jeśli nie, przyklej taśmą oś ładunku wybuchowego.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. 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.
14. Zdetonuj przedmiot za pomocą wysokoenergetycznego podpalacza. Zapisz ślady oscyloskopu zarówno dla danych PDV, jak i danych o prędkości detonacji.
15. 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.
16. 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

Typowa konfiguracja dla PDV jest pokazana na rysunkach 2 i 3, podczas gdy konfiguracja FODV jest pokazana na rysunku 4. Po detonacji, powstałe płytki wgniecenia po tradycyjnych strzałach FODV są pokazane na rysunku 5, a wyniki pozycji/czasu PAX-30 i PBXN-5 są pokazane na rysunku 6. Oba materiały mają podobne prędkości detonacji (nachylenie linii), przy czym PAX-30 jest o ~0,4 μs/mm wolniejszy. Choć może się wydawać, że nie jest to znacząca różnica, to rzeczywiście jest ona w świetle faktu, że PAX-30 posiada prawie 20% mniej wagowo materiału wybuchowego. Prędkość detonacji nie jest rozstrzygającym testem pozwalającym określić ilościowo reakcję aluminium na froncie detonacji lub bezpośrednio po niej, ale może dać wstępną ocenę reakcji aluminium.

Rysunek 2. Typowa konfiguracja PDV. Wybuchowe kulki lub odlane patyki są układane w stosy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3. Konfiguracja PDV (widok z bliska). Konfiguracja PDV w bazie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4. Konfiguracja FODV. Drążek jest epoksydowany na stalowej płycie obserwacyjnej, aby zapewnić solidny kontakt i wyprostowaną postawę podczas ustawiania. Detonator i wzmacniacz znajdują się w górnej części drążka. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5. Wgniecenie od testu FODV. Wgniecenie mierzy się za pomocą skalibrowanego głębokościomierza lub profilometru. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6. Obliczanie szybkości detonacji. Każdy punkt danych pochodzi z pinów światłowodowych w konfiguracji FODV. PAX-30 R² = 0,999717, RMSE (błąd średniokwadratowy) = 0,519693; PBXN-5 R² = 0,998778, RMSE = 1,342272. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

wybuchowy	n	Prędkość detonacji (mm/μsec)	CJ Ciśnienie (GPa, Wgniecenie na płytę)	CJ Ciśnienie (GPa, PDV)
Centrala PBXN-5	3	8,83 ± 0,12	37,9 ± 1,4	34,7 ± 0,0
PAX-30 (wersja osobowa)	3	8,48 ± 0,04	32,3 ± 1,3	30,5 ± 0,3

Tabela 1. Dane o skuteczności z eksperymentów. n to całkowita liczba testów, każdy z 5 pinami światłowodowymi. Ciśnienie PDV CJ składa się tylko z jednego testu.

Wyjście śladu PDV z dołu ładunku wybuchowego z rys. 2-3 jest pokazane na rysunku 7. Ciśnienie CJ oblicza się na podstawie modelowania produktu gazowego Hugoniot z przybliżeniem Coopera,6 a następnie ekstrapolacji punktu CJ po dopasowaniu Hugoniota wybuchowego PMMA. Typowy sitodruk z takich obliczeń pokazano na rysunku 8. Technika ta nadal ma pewne ograniczenia, ponieważ obliczenia zakładają ekstrapolację liniową od początku śladu prędkości okna. Powoduje to nieznaczne niedoszacowanie ciśnienia, o czym świadczą wyniki (tabela 1).

Rysunek 7. Prędkość okna jako funkcja czasu dla pomiaru ciśnienia CJ. Zwróć uwagę na doskonałą zgodność między różnymi ujęciami, gdzie ślady praktycznie spadają na siebie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 8. Obliczanie ciśnienia CJ z eksperymentu PDV. Należy zauważyć, że ekstrapolacja zakłada liniowe przyspieszenie początkowego pchnięcia okna, co obecnie prowadzi do niedoszacowania ciśnienia CJ. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 9. Przedstawienie izentropów rozprężających dla przereagowanego i nieprzereagowanego aluminium w produktach detonacji. Niebieskie linie proste to roztwory styczne, które są proporcjonalne do prędkości detonacji. Należy zauważyć, że przereagowany roztwór produktów Al wymusza prędkość detonacji mniejszą niż nieprzereagowany roztwór Al. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą 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.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
cylkotrametylotetranitamina	BAE	Class 5	1.1D, aluminium odłamkowo-burzące
	Valimet	Opatentowany
Viton	3M
	Dow	Corning Sylgard 182	Uszczelniacz szczelin