ERRATUM NOTICE
Important: There has been an erratum issued for this article. Read more …
Abstract
בדיקות התפתחותיות של חומרי נפץ גבוהים עבור יישומים צבאיים כרוכות ניסוח בקנה מידה קטנה, בדיקות בטיחות, ולבסוף בדיקות ביצועי פיצוץ לאמת חישובים תיאורטיים. בקנה מידה קטן על ניסוחים חדשים שפותח, התהליך מתחיל עם תערובות בקנה המידה קטן, בדיקות תרמיות, והשפעה ורגישה חיכוך. רק אז לעשות ניסוחים מידה עוקבות גדול להמשיך בדיקות פיצוץ, אשר יכוסו במאמר זה. התקדמות טכניקות אפיון הובילה דיוק ללא תחרות באפיון של תחילת אבולוציה בזמן של פיצוצים. הטכניקה החדשה של velocimetry צילום דופלר (PDV) למדידת לחץ פיצוץ ומהירות ישותף ולעומת מהירות התפוצצות סיבים אופטיים מסורתיים חישוב צלחת-שקע לחץ פיצוץ. בפרט, תפקיד אלומיניום בניסוחי נפץ יידון. ההתפתחויות האחרונות הוביל לפיתוח של f נפץormulations שתוצאתן התגובה של אלומיניום מוקדם מאוד בהרחבת מוצר פיצוץ. תגובה משופרת זה מוביל לשינויים המהירים ההתפוצצות והלחץ עקב תגובה של האלומיניום עם חמצן מוצרי הגז מתרחב.
Introduction
פיתוח של חומרי נפץ לשימוש צבאיים כרוך בשיקולי בטיחות נרחבות והגבלת משאבים עקב דרישות מתקן בדיקה. באותו מחקר חימוש הצבא ארה"ב ופיתוח והנדסת הפיקוד (ARDEC), Picatinny Arsenal, חומרי נפץ מוערכים מרמת המחקר באמצעות ניטור ופירוז מחזור חיים מלאים. חומרי נפץ חדשים כי הם בטוחים יותר עבור טיפול, אחסון, וטעינה מוערכים ברציפות במאמץ לספק תחמושת יעילה ובטוחה עבור Warfighter. החוק האחרון מכתיב כי בכל הזדמנות האפשרית, תחמושת רגישות (IM) הנחיות ודרישות הן אחריו. לכן, בכל פעם נפץ חדש מסונתז וגבש, בדיקות ביצועים הוא בעל חשיבות עליונה כדי להבטיח שהן עומדות בדרישות המשתמש. בהקשר זה, מדידת נכסי פיצוץ PAX-30 החדש שפותח מושווה עם PBXN-5, חומר נפץ ביצועים מסורתי גבוהים. בפרט, מדידת velo הפיצוץ שלהלחץ עיר פיצוץ, אשר חשובים לצורך אימות של מודלים תיאורטיים חישובי ביצועים, היא משותפת. PAX-30 פותח כדי להחליף חומרי נפץ מורשת כגון PBXN-5 באמצעות אלומיניום תגובתי.
אלומיניום בעל אנתלפיה גבוה של חמצון כמו אלומיניום על בסיס לכל טוחנת:
2Al + 3/2 O 2 -> אל 2 O 3 (1,670 kJ / mol)
על ידי הוספת אלומיניום במקום מרכיבי הנפץ הרגישים בהלם, ניסוח מוצג יותר בטוח עלבונות הלם מפגע חיצוניים. זה למעשה מסייע למלא תחמושת רגישות (IM) דרישות האו"ם בעוד באותו הזמן לשמור על ביצועים דרושים עבור יישומים צבאיים. 2,3.4
המתקנים לבדוק פריטים כאלה הם ייחודיים מאוד מיוחדים. כמה בדיקות ראשוניות מבוצעות להקרין נפץ לפני טיפול בכמויות גדולות. Tבדיקות hese כוללים אפיון תרמית עם סריקה calorimetry דיפרנציאלי (DSC) וההשפעה ובדיקות חיכוך. עבור בדיקות DSC, מדגם הבדיקה קטן מחומם בקצב קבוע באווירה אינרטי, ואת הסכום ואת הכיוון של זרימת החום מנוטר. עבור בדיקות השפעה והחיכוך, מדגם הוא עלבונות מן המשקל נופל טופל (Bundesanstalt הפרווה Materialprufung, או השפעת BAM), ועבור בדיקת חיכוך סיכת קרמיקה סטנדרטית צלחת (Bundesanstalt הפרווה Materialprufung, או חיכוך BAM). 5
לאחר הניסוחים נחשבים בטוחים לטיפול, נוסף בהיקף של עד מושגת על ידי טכנולוגיות ערבוב קניינים. בקיצור, חומרי נפץ מתחלקים לשלוש קטגוריות:
ממסים יצוקים, שבו קלסר הוא חומר להמס פאזיים כמו שעווה, trinitrotoluene (TNT), dintroanisole (DNAN), או חומר מָסִיס אחר. מוצקים אנרגטיים או דלק יכולים להיות משולב עם שיקול דעת מעמיק של נקובגודל ותאימות ticle.
תרופת עופרת, שבו קלסר הוא פולימר ניתן ליציקה, כגון polybutadiene הסתיים הידרוקסיל (HTPB), polyacrylate, או פלסטיק אפוקסי-סוג אחר כי הוא נוזל במצבו unreacted, אלא על ייזום מבצר למוצק. מוצקים ישולבו מטריקס במהלך במצב הנוזלי שלה.
לחוץ, שבו טעינת מוצקים מאוד גבוהה, לעתים קרובות מתקרב כמעט 95% לפי משקל, עם קלסר בו מתווסף מעיל מוצקים באמצעות תהליך לכה או שחול.
ברגע לחוץ או יצוק, החומרים במכונה באמצעות מתודולוגיות תקן להשיג גיאומטריה נכונה למבחן רצוי. במאמר זה, PAX-30 ו PBXN-5 הם בעלי ביצועים גבוהים לחוץ נפץ. הניסוחים מבוצעים באמצעות תהליך slurry-ציפוי, שבה גבישי nitramine אנרגטיים (HMX, RDX, או CL-20) וחלקיקי אלומיניום מושעים בתמיסה מימית. לכה עם i קלסר קנייניתים ואז הוסיף. עם תוספת לכה, המעילים פולימר גבישי הנפץ, ההשעיה מחוממת תחת ואקום ולסלק את הממס, לבין חלקיקים מסוננים אז מיובש. חלקיקי הגרגר דמוי אז נלחצים לתצורה הרצויה.
מהירות התפוצצות
על מנת לקבוע את מהירות ההתפוצצות, אחד חייב לפקח על ההגעה של חזית הפיצוץ בחומר. פיצוץ מוגדר כעלייה מיידית עצמית לקיום בלחץ וטמפרטורה כי הוא מהר יותר ממהירות הקול בחומר. זה יהיה בר קיימא פעם הטמפרטורה ולחץ מספיקים כדי לספק תגובות אקסותרמית מאחורי חזית תגובת הפצה. התנהגות כזו מתממשת על ידי שילוב moieties חמצון כגון קבוצות ניטראט בחומרים מסוימים של ההיווצרות. שתי דוגמאות המכונה RDX (סיקלו-1,3,5-trimethylene-2,4,6-trinitramine) ו HMX (cyclotetramethylenetetranitramine) מוצגים in איור 1, אשר על פי רוב הם החומרים האנרגטיים ביותר בשימוש בארה"ב DoD (משרד ההגנה). הערת איזון החמצן של המולקולות, שתוצאתה התגובה אקסותרמית הפצה העצמית מאחורי בהלם לחזית.
איור 1. RDX (סיקלו-1,3,5-trimethylene-2,4,6-trinitramine, משמאל) HMX (cyclotetramethylenetetranitramine, מימין). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
דרך אחת כדי לקבוע את המהירות של חזית הפיצוץ היא לפקח עמדתה כפונקציה של זמן. סיבים אופטיים מהיר התפוצצות (FODV) בדיקות מתבצעות על מנת לקבוע את מהירות ההתפוצצות של חומר נפץ. מקבע אקריליק נועד להחזיק מדגם הנפץ, ולאתר את אופטייםסיבי במרחקים ידועים לאורך תשלום. המבחן סטנדרטי משתמש אינץ 5-ארוך על ידי מדגם נפץ בקוטר 0.75 אינץ 'עם חמישה סיבים אופטיים הכוללים; הסיב התחתון ממוקם 0.50 אינץ 'מתחתית האישום וכל סיבים רצופים ממוקם 1 אינץ' מעל הבא. חורים שנקדחו ב הנורה אקריליק חורים שני-צעד. החור בקוטר הגדול יותר הוא בגודל כדי להתאים את הליבה והחיפוי של הסיבים האופטיים ואת החור בקוטר הקטן משמש במרחב אווירי מוגבל. כמו פיצוץ התקדמות דרך מדגם הנפץ, גל הלם מיוצר מלהיב את המרחב האווירי המוגבל לייצר הבזק קצר, בהיר שניתן לצפות עם הסיבים אופטיים.
הסיבים האופטיים המשמש לבדיקה זו יש גרעין פלסטיק זול. בשל אופייה ההרסני של הבדיקה ואת העקביות של לבולם, סיבים באיכות גבוהה יותר לא נמצאו להיות נחוץ כדי לשמור נתונים מהירים באיכות גבוהה. מתקן הבדיקה Picatinny ארסנלמשתמש photodiodes סיכם לתרגם בין האור ובין פיצוץ לתוך מתח. משרעת של ספייק מתח הוא חסר חשיבות לצורך בדיקה זו. אוסצילוסקופ 1-GHz מחוברת תיבת סיכום פוטודיודה, למרות קצב הדגימה כי הוא הרבה מעבר לנדרש עבור בדיקה זו. הסיב האופטי "פסגות" יכול להיקבע על סמך העלייה הראשונה של ערכי אות או שיא. בהינתן המרחק בין סיבים אופטיים הפרש השעות בין ההגעה פיצוץ, מהירות התפוצצות נקבע אז.
לחץ פיצוץ
לחץ פיצוץ מוערך על ידי מדידת עומק השקע בתוך כתוצאת צלחת פלדה רגילה מן הפיצוץ של הנפץ. במעמקי דנט מתואמים היטב ערכי לחץ ידוע עבור מגוון רחב של תרכובות נפץ. בדרך כלל, שכן רוב חומרי הנפץ לספק את צ'פמן-Jouguet (CJ) כתנאי פיצוץ להתרחש, לחץ הפיצוץ מכונה בדרך כללכמו CJ לחץ, וזה יהיה מכאן ולהבא במאמר זה. עצרת התשלום מושמת על גבי צלחת פלדה, שנקראה "צלחת עד", ותוצאות הפיצוץ בתוך שקע הצלחת. עומק שקע בבית בקוטר תשלום 0.75 אינץ 'סטנדרטי עבור חומרים רבים נפץ עם לחצים פיצוץ ידוע אז מושווית עומק שקע הבדיקה. לחץ פיצוץ ידי שקע הצלחת היא שיטה אמינה עם שנים רבות של נתונים מתועדים עבור מתאמים מקובלים. עם זאת, פיצוץ הוא תגובה כימית דינמי, מהיר, ובשנים האחרונות זה הפך להיות רצוי לנצל כלים עם רזולוציה גבוהה יותר להתבונן בהיסטוריה לחץ-זמן.
כדי למדוד את לחץ הפיצוץ ישירות של חומר נפץ, פוטוניים דופלר velocimetry (PDV) יכול לשמש גם. מערכת אינטרפרומטר לייזר זו פותחה על ידי המעבדה הלאומית לורנס ליברמור ו מנצל 1,550 מקור לייזר CW ננומטר. על-ידי הכוונת לייזר בכל מטרה נעהד איסוף דופלר העביר אור, את תדירות הדופק וכתוצאה מכך ניתן לנתח לספק עקבות מהירות של היעד. שלא כמו טכניקות צילום במהירות גבוהה המסורתית, עקבות מהירות אלה מספקים תיעוד רציף של מהירות של היעד כפונקציה של זמן. שיטת המדידה זה זכה לתשומת לב משמעותית בשנים האחרונות והוא הופכת נפוצה ב DoD ואת מחלקת האנרגיה (DOE) מעבדות אפיון נפץ.
על מנת לחשב את הלחץ CJ של חומר נפץ חדש, מערכת PDV ניתן להשתמש כדי למדוד את מהירות החלקיקים בין נפץ וחלון polymethyl methacrylate (PMMA). רדיד דק מאוד, בדרך כלל אלומיניום או נחושת, מושם על הממשק הזה לפעול כמשטח רעיוני. במחקרים אלה, נחושת הייתה בשימוש. רדיד זה אמור להיות רזה מספיק כדי למנוע הנחתת גל הלם משמעותי בעת היותו עבה מספיק כדי למנוע מאור הפיצוץ מן העובר. בדרך כלל, עובי רדידשל 1,000 אנגסטרם הוא אידיאלי עבור setups הניסיוני ביותר. בהינתן מהירות חלקיקי PMMA ואת מהירויות ההתפוצצות של חומר נפץ, לחץ הפיצוץ ניתן לחשב עם משוואות התאמת הלם Hugoniot. 6
בעוד מבחן FODV ברמה של 0.75 "קוטר תשלום הנו התקן הוקם ב ARDEC, בדיקות מבוססות PDV עוברות עידון רף. בהתאם לניסוח הנפץ, אחד או בדיקות שניהם יכולים לשמש כדי לאפיין מהירות התפוצצות ולחץ פיצוץ.
Protocol
זְהִירוּת! העיבוד, הטיפול, והבדיקה של חומרי נפץ (Hazard החטיבה Class 1 חומרים) צריכה להתבצע רק על ידי צוות מיומן ומוסמך. חומרי נפץ רגישים השפעה, חיכוך, פריקה אלקטרוסטטית, והלם. רק להשתמש במתקני המחקר ופיתוח שאושר שיכולים לטפל בכמויות גדולות של חומרי Class 1.
1. ARDEC סיבים אופטיים מבחן פיצוץ Velocity
- Cut-סיב אופטי באורך באמצעות חותכי סיבים אופטיים ולאגד בקבוצות של חמישה כבלים. בהתבסס על גיאומטריות חדר בדיקה באתר ספציפי, 15 מטר אורך משמש בדרך כלל. רצועה קט כבל חומר בחזרה 15 מ"מ בצד אחד של צרור ו -5 מ"מימ על הקצה השני של הצרור. ללטש את קצות החתך של הסיבים האופטיים עם נייר זכוכית חצץ P800 כדי להסיר כל קוצים.
הערה: בשל אופייה ההרסני של מבחן זה, סיבים אופטיים פלסטיק עדיף. תכונות סיבים אופטיים הם כדלקמן; Polymethyl Methacrylate שרף(PMMA) חומר ליבה (980 מיקרומטר קוטר), חומר חיפוי פולימר מכיל פלואור (1,000 מיקרומטר קוטר), 1.49 מקדמת שבירת ליבה, 0.5 צמצם מספרי. - מדוד מדגם והרכב מבחן בקטרים גלולים A-3 Type II מגבר, אורכים, והמוני באמצעות קליפר ואיזון דיוק גבוה.
הערה: בעוד המבחן הטיפוסי משתמש בקוטר 1.905 סנטימטר על כדורי אורך 2.54 סנטימטר, הליך בדיקה ניתן להשתמש עם כל גלולה בגודל ספק את מתקן הפלסטיק מחזיק את כבל הסיב האופטי התרכז כל גלולה. עבור בדיקות במחקר זה, את כדורי בקוטר 1.905 ס"מ שימשו. - טען את כדורי הנפץ, אחד אחרי השני, לתוך מתקן הפלסטיק באמצעות הרחבת הקוטר הפנימי של הצינור באמצעות חטטניות החריץ פתוח. מספרי ומיקומי שיא גלולים נפץ הנורה. לאחר מכן טען את גלולה המאיץ לתוך הצינור מהחלק העליון של הנורה.
- מניח בעל נפץ אקריליק על גבי הגלולה המאיצה.
הערה: RP-502 מתפוצץ Bridgewire נפצים(EBWs) משמש בדרך כלל. נפצים אחרים לא יוכל להחליף, למרות הכיול מחדש של מבחן יהיה צורך. - הכנס את הקצוות חשופים הקצרים (5 מ"מ) של הסיב האופטי לתוך חורי שני התערבו והתקן מדידת מהירות ההתפוצצות.
הערה: חורי שני שלבים להבטיח שיש מספיק אוויר עבור יינון על מעבר של חזית הפיצוץ אשר מוביל איתות חזקה. החורים עבור הנורה צריכה להיות בקוטר 0.021 אינץ 'על ידי חור 0.020 אורך פנימי נגד נפץ חור בקוטר 0.042 אינץ' עבור החדרת סיב אופטי. אם סיבי פלסטיק משמשים, מלטש לאור הקוטר החיצוני של הסיבים האופטיים עשוי להיות נחוץ תלוי הן אבזר בקוטר הסיבים ולבדוק עמידות. ודא כי סיב אופטי הוכנס במלואו (יושב על המדרגה בבור שני-צעד). - דבק / אפוקסי הסיבים במקום. השתמש אפוקסי 5 דקות עבור פרוטוקול זה.
- כאשר אפוקסי מחזיק הסיבים ריפא לגמרי, מקם את אקרילic שפופרת המכיל את כדורי הנפץ על גבי צלחת עד פלדה. אבטח את מתקן טקסט הפלדה עם או משקולת על גבי זה או קלטת. ודא כי אין פער אוויר בין המשטח התחתון של הגלולה האחרונה נפץ צלחת עד פלדה.
- אפוקסי 360 ° סביב מתקן הבדיקה, דבקות אותו לצלחת העד. לאחר אפוקסי ריפא לחלוטין, למקם את הנפץ במחזיק הנפץ הוא בראש והתקן המדידה ומאובטח אותו במקום עם קלטת.
- הובלה ותקן המדידה אל חדר הבדיקה וכנס קצוות נותרים חשופים למשך (15 מ"מ) של הסיב האופטי לתוך תיבת מסכם photodiode. חבר את תיבת המסכם פוטודיודה, או שיטת הרכישה נתונים אחרים, על פי הצורך, כדי אוסצילוסקופ (רוחב פס GHz 1 הוא יותר מהדרוש).
- חבר בקו אש כדי נפץ RP-80. סגור את כל הנדרש דלתות / יציאות / וכו 'ולבצע פעולות נעילה באזור לכל מבחן נפץ של מתקן ירי (יםנהלי עבודת tandard) נהלים.
- אשר אוסצילוסקופ הדק, מתח / חלוקה, זמן / גדרות חלוקות. חבר את ההדק מתוך fireset המתח הגבוה עם סף הדק של 3.0 V לערוץ אחד על האוסילוסקופ. חבר את תיבת מסכם פוטודיודה לערוץ שני על האוסילוסקופ. גדר בשני ערוצים עד 5 V / חטיבה ואת timebase עד 5 μsec / חלוקה, עם הגדרת עיכוב של -20 μsec.
- לפוצץ את הפריט באמצעות fireset אנרגיה גבוהה.
- מדוד את הפסגות המתאימות לעת מהפלט של תיבת סיכום photodiode. מעקב המסך אוסצילוסקופ, השתמש מתח שיא לקבוע בזמנים מסוימים, אם כי העלייה ראשונה עשויה להיות אינדיקטור טוב יותר בהתאם לציוד המשמש.
- חישוב מהירות התפוצצות מחמש נקודות זמן רכש האוסילוסקופ. מאז רווחים של כל סיבים אופטיים ידוע, לחשב את מהירות התפוצצות על ידי חלוקת המרחק בין כל סיכה לפי הזמן בין שיא כל (diעמדה / זמן = מהירות). הממוצע וסטיית התקן הן מדווחות.
- חשב את עומק שקע צלחת עד הפלדה על ידי צבת נושאות פלדה מכוילות את הפגיעה כדי למצוא את רמת המינימום, ולאחר מכן מד עומק משמש כדי לקבוע את העומק.
2. תמונה דופלר velocimetry
- מכונת חלון PMMA בגודל לקוטר של מטען כ 6.5mm עבה. ודא שהחלון ברור אופטית וללא פגמים עיבוד. כדי להשיג זאת לקחת גיליון ברור אופטית של אקריליק יצוק עיבוד מתוך הדיסקים באמצעות מכשיר חיתוך בלייזר או תהליך עיבוד דומה. לאחר מכן, לנצל סילוני מים כדי להשיג משטח ברור אופטי.
- ודא כי עובי רדיד האלומיניום אינו עולה על 0.005 "לכל מפרט יצרן. אם לסכל את פני השטח הוא בתולים (מחזירי אור), להתגלגל על פני השטח עם מיסבים כדוריים נירוסטה שייפו. תוצאות משטח מפוזרות ב BAC הליזר האופטימליהשתקפות k, גם כאשר היישור מעט מעל.
- השתמש בסרט הדבקה דקה, ברור אופטי, מבוסס אקריליק לצרף את רדיד האלומיניום לחלון PMMA. ודא שאין בועות אוויר בין PMMA ואת האלומיניום.
- מדוד את בקטרים גלולים נפץ בדיקת דגימה, האורכים, והמוני. השתמש מחוגה דיוק גבוהה ואיזון.
- להטביע את כדורי מדגם בדיקת הנפץ זה לזה כדי ליצור מטען רציף, לרבות כל מאיצים (במידת צורך). למרוח משחה בכל ממשק נפץ במהלך עצרת לצמצום פערי אוויר בממשקים גלולים.
- סיכות מהירות התפוצצות הר לתוך גוף אקריליק. אלה עשויים להיות סיבים או אופטיים או סיכות פיזואלקטריים. המיקומים של סיכות עם לגבי האישום חייב להיות ידוע.
- הצמד את בעל פיני מהירות התפוצצות אקריליק להאשמה. סרט הוא מספיק כדי להחזיק בעל פינים אקריליק להאשמה. בדרך כלל, במקומות סיבים / סיכה הם קרובים ביותר בתחתית ch נפץARGE כך פיצוץ מצב יציב אפשר לראות.
- צרף את הנפץ להאשמה. הפוך את התשלום התאסף ולייצב אותו בכיוון הזה כדי להתכונן הדבקת חלון PMMA. מניחים כמות קטנה של שומן על הפנים חומר נפץ כדי למנוע בועות אוויר על הממשק אלומיניום / נפץ.
- הצמד את רדיד צדי חלון PMMA אל המטען. אם החלון ולחייב הם בעלי מרכז משותף, להשתמש בקלטת circumferentially. אם לא, קלט את הציר של מטען החבלה.
- לאחר חלון PMMA מחובר היטב את המטען, לצרף את מחזיק בדיקת PDV אקריליק לחלון PMMA עם קלטת. הכנס את חללית PDV לתוך מחזיק בדיקת PDV.
- יישר את החללית PDV במחזיק עם מד גב השתקפות. מכשיר זה פלטי קרן לייזר בעוצמה נמוכה מודד את המשרעת-השתקפות בחזרה. גב-השתקפות של -10 DBM ל -20 DBM רצויה. אפוקסי חללית PDV במקום פעם ההשתקפות חזרה נקבעה להיותאוֹפְּטִימָלִי.
- הנח את הפריט הבדיקה בתא ולצרף שני החוטים מהירות התפוצצות (סיבים אופטיים או פיזואלקטריים) של סיבים PDV. חבר בקו האש כדי נפץ RP-80. סגור את כל דלתות נדרשו / יציאות / etc. ו לנהל פעולות נעילה באזור לכל נהלי ירי מבחן נפץ של המתקן.
- אשר אוסצילוסקופ הדק, מתח / חלוקה, זמן / גדרות חלוקות. אשר הגדרות מערכת PDV. שימו לייזר האות ואמפליטודות לייזר התייחסות ולשנות לפי הצורך.
- לפוצץ את הפריט באמצעות fireset אנרגיה גבוהה. שמור עקבות אוסצילוסקופ הוא נתוני PDV ונתוני מהירות התפוצצות.
- לנתח את נתוני PDV בתכנית ניתוח נתונים רלוונטיים. אות PDV הגלם חייב להיות מעובד באמצעות פורייה מהירה Transform (FFT) חבילת ניתוח מבוססת.
הערה: על ידי הסתכלות על תוכן תדירות אות גלם זה, ולדעת התדירות הראשונית של מקור אור (1,550 ננומטר), חבילת הניתוח FFT מייצרת ספקטרוגרמה מהירה שהחלקותהמהירות רשמה כפונקציה של זמן. במקרה זה, PlotData, מחלקת ארצות הברית קניינית האנרגיה ממשק המשתמש הגרפי (GUI), משמש יחד עם תוכנת LabVIEW לבצע את FFT. עם זאת, רבות זמינות מסחרי חבילות ניתוח קיימות כי הם המסוגלים לבצע משימות אלה. - חישוב מהירות התפוצצות מחמש נקודות זמן רכש האוסילוסקופ. מאז רווחים של כל סיבים אופטיים כידוע, מהירות התפוצצות מחושב על ידי חלוקת המרחק בין כל סיכה על ידי הזמן בין כל שיא (מרחק / זמן = מהירות). סטיית הממוצע ורמת מדווח.
Representative Results
התקנה אופיינית עבור PDV מוצגת איורים 2 ו -3, ואילו התקנת FODV מוצגת באיור 4. לאחר הפיצוץ, צלחות שקע הנובע יריות FODV מסורתיות מוצגות באיור 5, עם העמדה / תוצאות הזמן של PAX-30 ו PBXN-5 באיור 6. שני החומרים בעלי מהירויות פיצוץ דומה (שיפוע של הקו), עם PAX-30 ~ 0.4 μsec / מ"מ איטי. למרות שזה אולי לא נראה שיש הבדל משמעותי, הוא אכן לאור העובדה PAX-30 בעל כמעט 20% פחות על ידי מילוי במשקל נפץ. מהירויות התפוצצות אינה המבחן החותך לכמת את תגובת אלומיניום או מייד לאחר כניסת הפיצוץ, אבל זה יכול לתת הערכה ראשונית של תגובת אלומיניום.
איור 2. התקנת PDV טיפוסית. כדורי הנפץ או מקלות casted נערמים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3. התקנת PDV (מבט מקרוב). התקנת PDV בבסיס שבו צלחת העלון ממוקמת. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4. FODV התקנה. מקל epoxied על צלחת עד פלדה כדי להבטיח איש קשר מוצק יציב זקוף במהלך ההתקנה. הנפץ ואת המאיץ הם בחלק העליון של המקל. = "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig4large.jpg" target = "_ blank"> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 5. דנט ממבחן FODV. את הפגיעה נמדדים עם מד עומק מכויל או profilometer. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 6. חישובי שיעור פיצוץ. כל נקודת נתונים הוא מהפינים המבוססים על הסיבים אופטי התקנת FODV. PAX-30 R 2 = 0.999717, RMSE (שורש טעות ריבועית ממוצעת) = 0.519693; PBXN-5 R 2 = 0.998778, RMSE = 1.342272.om / קבצים / ftp_upload / 52,950 / 52950fig6large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
| חומר נפץ | n | פיצוץ מהירות (מ"מ / μsec) | CJ לחץ (GPA, שקע פלייט) | CJ לחץ (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 |
טבלה 1. נתוני ביצועים מניסויים. N הוא המספר הכולל של בדיקות, כל אחד עם 5 סיכות סיבים אופטיים. לחץ PDV CJ מורכב מבחן יחיד.
פלט מעקב PDV של צלחת העלון מהעומק של המטען של דמויות 2-3 מוצג באיור 7. התנודות נובעות צלצולי הצלחת מן האצה לכמעט 4-5 קילומטר / sec. לחץ CJ מחושב דוגמנות Hugoniot גז המוצר עם הקירוב של קופר, 6 ולאחר מכן אקסטרפולציה נקודת CJ פעם Hugoniot האלומיניום-נפץ משתווה. הדפס מסך טיפוסי מחישוב כזה מוצג באיור 8. הטכניקה עדיין יש מספר מגבלות מאז החישובים מניחים אקסטרפולציה תאוצה לינארית מתחילת מהירות העלון. התוצאה היא להמעיט את הלחץ מעט, כפי שמעידים תוצאות (טבלה 1). עבודה נמשך עד לפתח משוואות חדשות כדי להתאים את ההאצה מוקדם של צלחת העלון.
להעלות / 52,950 / 52950fig7.jpg "/>
איור 7. מהירות פלייט כפונקציה של זמן לשקילת CJ לחץ PBXN-5 נפץ. הערת ההסכם המצוין בין שתי יריות שונות, שבו העקבות ולמעשה נוחתות על אחד אחרת. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של נתון זה.
חישוב איור 8. לחץ CJ מהנתונים צלחת עלון נחושת על ניסוי PDV. ראוי לציין, כי אקסטרפולציה מניחה תאוצה לינארית ב הדחיפה הראשונית של צלחת העלון שמוביל כיום הערכה נמוכה מדי של לחץ CJ. נא ללחוץ כאן לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. </ A>
איור 9. תיאור של isentropes הרחבה עבור אלומיניום הגיב unreacted במוצרי הפיצוץ. הקווים ישרים והכחולים הם הפתרונים משיקים כי הם יחסי המהירות ההתפוצצות. הערת הפתרון אל המוצרים הגיב לאלץ את מהירות ההתפוצצות להיות נמוך יותר מאשר הפתרון אל unreacted. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Discussion
שימו לב להבדלים בלחץ מחושב בין שני הניסוחים נפץ. מייצגי הנפץ מצופים האלומיניום פחות לחץ, בין השאר בגלל פחות nitramine (HMX) טוען, אלא גם בגלל האלומיניום מגיב עם חמצן בגזי הפיצוץ מתרחב, שתוצאתה שקע קטן מלחץ פיצוץ נמוך. PBXN-5 מפעיל לחץ פיצוץ גבוה בשל תכולת הגז הגבוהה שלה על פיצוץ לעומת PAX-30 (36.2 שומות / קילו עבור PBXN-5 לעומת 33.1 שומות / קילו עבור PAX-30). עוד משוואות מתקדמות של המדינה (EOS) הנגזר ממדידות מהירות קיר משמשות כדי לתאר את תנאי מוצרי הנפץ בטמפרטורות ולחצים קיצוניים כאלה. 10,11 זה יהיה נושא של כתבי יד בעתיד.
היה ברור שכאשר תגובה מוקדם של מתכת חומר נפץ מתרחשת, מהירויות ההתפוצצות זוהו היא נמוכה יותר מאשר אם המתכת אינה מגיבה. זה מעט לאינטואיציה; אֶחָדהיה לצפות את מהירות להגדיל אם פיקדונות יותר אנרגיה לתוך החלק הקדמי פיצוץ הרחבת עקב תגובה של אלומיניום אקסותרמית. הקיטון מהיר התפוצצות נובע פתרונות Hugoniots לחץ בצפיפות. ההיקף המסוים (הצפיפות הפוכה) -pressure isentrope מציין שינויים כמוצרים מן הפיצוץ להרחיב (מהשמאל לימין באיור 9). 6 isentrope ההרחבה מייצג אותם מוצרי פיצוץ כי יכולים להיוצר מבחינה תרמודינמית ולהרחיב לאורך עקומת נפח לחץ ספציפי . במהלך של התרחבות, אם אלומיניום מגיב ליצירת מינים חמצון, התוצאה היא ירידה כללית צפיפות של גז מוביל מהירות נמוכה. זה בא לידי ביטוי isentrope רחבה מתחת פתרון האלומיניום הלא מגיב (איור 9). מאז מהירויות ההתפוצצות הוא המשיק מצטלב isentrope מן הצפיפות המוצא על ציר ה- x, נראה נ הפיצוץelocity חייב לרדת כאשר האלומיניום בניסוח מגיב.
לסיכום, מח' ההגנה של ארצות הברית ממשיכה לעסוק במחקר ואפיון שימושיים הפעילה של חומרים אנרגטיים חדשים עם שתי בטכנולוגיות מסורתיות רומן. במקרה של PDV, זה הוא כלי רב ערך מאפיינת נפץ עם דיוק קיצוני ומספק חוקרים עם תובנה חשובה באשר לאפקטיביות הנפץ. מחזור בדיקה מהירה זו פוחתת העלות באופן משמעותי את הזמן הנדרש לצורך אימות אופטימיזציה ודרישות ניסוח.
Disclosures
חלוקה: שאושרו על ידי הציבור; הפצה בלתי מוגבלת. החוקרים אין לי מה לחשוף.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| cylcotetramethylenetetranitramine | BAE | Class 5 | 1.1D, High Explosive |
| Aluminum | Valimet | Proprietary | |
| Viton | 3M | ||
| Grease | Dow Corning | Sylgard 182 | Gap sealer |
References
- 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).
Tags
הנדסה גיליון 108 חומרי נפץ פיצוץ בדיקה סיבים אופטיים תמונת דופלר velocimetryErratum
Formal Correction: Erratum: Research and Development of High-performance Explosives
Posted by JoVE Editors on 06/30/2016.
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.
