ERRATUM NOTICE
Important: There has been an erratum issued for this article. Read more …
Abstract
Entwicklungs Prüfung von Hochexplosivstoffen für militärische Anwendungen handelt Klein Formulierung, Sicherheitstests und schließlich Tests Detonation Leistung theoretischen Berechnungen zu überprüfen. Für neu entwickelte Formulierungen kleine, beginnt der Prozess mit Kleinmischungen, thermische Tests und schlagfest und reibungs Empfindlichkeit. Erst dann anschließenden größeren Maßstab Formulierungen Detonation Tests fortfahren, die in diesem Papier abgedeckt werden. Jüngste Fortschritte in der Charakterisierungstechniken haben unvergleichliche Präzision bei der Charakterisierung von frühen Zeitentwicklung von Detonationen führte. Die neue Technik der Photo Doppler Velocimetry (PDV) zur Bestimmung der Detonationsdruck und Geschwindigkeit wird geteilt und mit herkömmlichen faseroptischen Detonationsgeschwindigkeit und Platte-dent Berechnung der Detonationsdruck verglichen werden. Insbesondere wird die Rolle von Aluminium in Sprengstoff-Formulierungen diskutiert. Jüngste Entwicklungen führten zur Entwicklung von explosiven formulations, die in Reaktion von Aluminium sehr früh in der Detonationsproduktexpansion führen. Diese verbesserte Reaktion führt zu Veränderungen in der Detonationsgeschwindigkeit und Druck aufgrund der Reaktion des Aluminiums mit Sauerstoff in den expandierenden Gasprodukte.
Introduction
Entwicklung von hochexplosive Sprengstoffe für militärische Zwecke, sind umfangreiche Sicherheitsüberlegungen und Ressourcenbeschränkungen aufgrund Prüfeinrichtung Anforderungen. Bei der US Army Armament Forschung und Entwicklung und Konstruktion Befehl (ARDEC), Picatinny Arsenal, sind Sprengstoff aus der Forschungsebene durch den gesamten Lebenszyklus Überwachung und Entmilitarisierung ausgewertet. Neue Sprengstoff, die sicherer für die Handhabung, der Lagerung und Beladung werden in dem Bemühen, einen effektiven und sicheren Munitions zur warfighter kontinuierlich ausgewertet. Aktuelle Gesetz schreibt vor, dass, wann immer möglich, unempfindlich Munition (IM) Richtlinien und Anforderungen eingehalten werden. Deshalb, wenn neue Sprengstoff synthetisiert und formuliert, Performance-Tests ist von größter Bedeutung, um sicherzustellen, Anforderungen der Nutzer sie sich treffen. In diesem Zusammenhang wird die Messung der Detonationseigenschaften von neu entwickelten PAX-30 gegenüber dem PBXN-5, ein traditionelles Hochleistungs explosiv. Insbesondere Messung ihrer Detonation veloStadt und Detonationsdruck, der für die Überprüfung der theoretischen Modelle und Leistungsberechnungen wichtig sind, geteilt wird. Die PAX-30 wurde Vermächtnis Sprengstoff wie PBXN-5 unter Verwendung von reaktiven Aluminium zu ersetzen entwickelt.
Aluminium besitzt eine hohe Enthalpie der Oxidation wie Aluminium auf einem pro Mol-Basis:
2Al 3/2 + O 2 -> Al 2 O 3 (1.670 kJ / mol)
Durch Zugabe von Aluminium anstelle der stoßempfindlichen explosiven Zutaten, die Formulierung sicherer zu externen Schock und Gefahren Beleidigungen gemacht. Dies hilft effektiv unempfindlich Munition (IM) der Vereinten Nationen Anforderungen bei gleichzeitiger Beibehaltung der Leistung, die für militärische Anwendungen zu erfüllen. 2,3,4
Die Einrichtungen zum Testen solcher Gegenstände sind einzigartig und hoch spezialisiert. Einige ersten Tests werden durchgeführt, Sprengstoff zu screenen, bevor in Verarbeitung großer Mengen. Tiese Tests gehören thermische Charakterisierung mit Differentialscanningkalorimetrie (DSC) und die Auswirkungen und Reibungstests. Für die DSC-Tests wird eine kleine Probe mit einer konstanten Geschwindigkeit in einer inerten Atmosphäre erwärmt, und die Menge und die Richtung des Wärmeflusses wird überwacht. Für Schlag- und Reibungstests wird die Probe zu Beleidigungen von einem standardisierten Fallgewicht (Bundesanstalt für Material oder BAM Impact) unterzogen und für den Reibungstest eine standardisierte Keramikstift und Platte (Bundesanstalt für Material oder BAM Friction). 5
Sobald die Formulierungen als sicher sind für die Handhabung, weiter Scale-up wird durch proprietäre Mischtechnologien erreicht. Kurz gesagt, fallen hohe Sprengstoff in drei Kategorien:
Schmelzguss, in dem das Bindemittel ein Schmelzphasenmaterial wie ein Wachs, Trinitrotoluol (TNT), dintroanisole (dnan) oder andere schmelzbare Material. Energetische oder Kraftstoff Feststoffe können mit sorgfältiger Abwägung par eingearbeitet werdenkel Größe und Kompatibilität.
Guss Heilung, bei dem das Bindemittel ein gießbares Polymer ist, wie beispielsweise Hydroxyl-terminiertes Polybutadien (HTPB), Polyacrylat oder anderen Epoxy-Typ Kunststoff, der in seiner nicht umgesetzte Form flüssig ist, aber bei der Einleitung erstarrt zu einem Feststoff. Die Feststoffe werden in die Matrix während seiner flüssigen Zustand eingearbeitet.
Gedrückt wird, in dem die Feststoffbeladung sehr hoch ist, oft fast 95 Gewichts-% nähert, mit einem Bindemittel, das die Feststoffe mit einem Lack oder Extrusionsverfahren zur Beschichtung zugesetzt wird.
Einmal gedrückt oder gegossen werden die Materialien unter Verwendung von Standardmethoden bearbeitet, um eine ordnungsgemäße Geometrie für einen gewünschten Test erhalten. In diesem Papier PAX-30 und PBXN-5 sind Hochleistungsspreng gedrückt. Die Formulierungen werden durch ein Slurry-Beschichtungsverfahren, bei dem energetischen Nitramin Kristalle (HMX, RDX, oder CL-20) und Aluminiumpartikel in einer wässrigen Lösung suspendiert bleibt. Ein Lack mit dem proprietären Bindemittel is zugegeben. Bei Lack Zusätzlich können die Polymerbeschichtungen die explosiven Kristalle wird die Suspension unter Vakuum erhitzt, um das Lösungsmittel auszutreiben und die Teilchen werden dann abfiltriert und getrocknet. Die granulatförmigen Partikel dann an die gewünschte Konfiguration gepreßt.
Detonationsgeschwindigkeit
Um die Detonationsgeschwindigkeit zu bestimmen, muss man die Ankunft der Detonationsfront in dem Material zu überwachen. Eine Detonation wird als selbsterhaltende augenblickliche Anstieg von Druck und Temperatur definiert, die schneller als die Schallgeschwindigkeit in dem Material ist. Es wird selbsterhaltende, sobald die Temperatur und der Druck ausreichend sind, um exotherme Reaktionen hinter dem Vermehrungsreaktionsfront zu ermöglichen. Ein solches Verhalten wird durch Einbau Oxidations Einheiten, wie Nitratgruppen in bestimmten Materialien der Formation realisiert. Zwei Beispiele bekannt als RDX (Cyclo-1,3,5-Trimethylen-2,4,6-trinitramine) und HMX (Cyclotetramethylentetranitramin) sind i gezeigtn 1, die im Großen und Ganzen sind die am meisten energetischen Materialien in den US-Verteidigungsministeriums (Department of Defense). Man beachte die Sauerstoffbilanz der Moleküle, die sich hinter der Stoßfront in der selbst fortpflanzende exotherme Reaktion führt.
Abbildung 1. RDX (Cyclo-1,3,5-Trimethylen-2,4,6-trinitramine, links) und HMX (Cyclotetramethylentetranitramin, rechts). Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Eine Möglichkeit, die Geschwindigkeit der Detonationsfront zu bestimmen, ist, seine Position als eine Funktion der Zeit zu überwachen. LWL-Detonationsgeschwindigkeit (FODV) Tests ausgeführt, um die Detonationsgeschwindigkeit eines explosiven Materials zu bestimmen. Ein Acrylhalterung wurde entwickelt, um die explosive Probe zu halten, und suchen Sie das optischeFasern in bekannten Abständen entlang der Ladelänge. Der Standardtest verwendet ein 5-Zoll lange von 0,75-Zoll Durchmesser explosive Probe mit fünf gesamte optische Fasern; die untere Faser 0,50 Zoll von der Unterseite der Ladung befindet und jede nachfolgende Faser 1-Zoll über dem nächsten liegt. Die Löcher in dem Acrylvorrichtung gebohrt sind zwei Stufenbohrungen. Der größere Durchmesser Loch ist so dimensioniert, Kern und Mantel der optischen Faser und der kleinere Durchmesser Loch dient als einem geschlossenen Luftraum zu passen. Da der Detonation durch die explosive Probe fortschreitet, erzeugt die Stoßwelle erregt das beschränkt Luftraum einen kurzen, hellen Blitz erzeugen, die mit den Faseroptik beobachtet werden kann.
Die Faseroptik für diesen Test besitzen eine kostengünstige Kunststoffkern verwendet. Aufgrund der destruktiven Natur des Tests und der Konsistenz der Luft Schock, wurden höhere Qualität Fasern nicht als erforderlich erwiesen hochwertigen Geschwindigkeitsdaten zu erhalten. Auf dem Testgelände Picatinny Arsenalverwendet summierten Photodioden das Licht von der Detonation in eine Spannung umzuwandeln. Die Amplitude der Spannungsspitze ist für die Zwecke dieses Tests unwichtig. Ein 1-GHz-Oszilloskop wird an die Photodiode Summierung Box angeschlossen, aber das Abtastrate über weit, was für diesen Test notwendig ist. Die optische Faser "Spitzen" können entweder durch erste Anstieg des Signals oder Spitzenwerte bestimmt werden. Angesichts des Abstandes zwischen den optischen Fasern und der Zeitdifferenz zwischen der Ankunft Detonation wird Detonationsgeschwindigkeit bestimmt.
Detonationsdruck
Detonationsdruck wird durch Messen der Tiefe Delle in einem Standard-Stahlplatte, resultierend aus der Sprengstoff der Detonation geschätzt. Dent Tiefen sind den bekannten Druckwerte für eine Vielzahl von explosiven Verbindungen korreliert. Normalerweise, da die meisten Explosivstoffe erfüllen die Chapman-Jouguet (CJ) Voraussetzung für eine Detonation auftreten, die Detonationsdruck ist in der Regel genanntals CJ Druck, und es wird in diesem Artikel von diesem Punkt vorwärts. Die Ladungsanordnung ist auf einer Stahlplatte gelegt, ein "Zeuge Platte", und die Detonation ergibt sich eine Delle in der Platte bezeichnet. Die Delle Tiefe, in der Standard-0,75-Zoll-Gebühr Durchmesser für zahlreiche explosive Materialien mit bekannten Detonationsdruck wird dann auf die Probe Delle Tiefe verglichen. Detonationsdruck von der Platte Delle ist eine zuverlässige Methode mit vielen Jahren dokumentierten Daten für akzeptable Korrelationen. Jedoch ist eine Detonation eine dynamische, schnelle chemische Reaktion, und in den letzten Jahren ist es wünschenswert geworden Werkzeuge mit höherer Auflösung zu verwenden, um den Druck-Zeit-Verlauf zu beobachten.
Sie können direkt zum Detonationsdruck eines explosiven messen, Photonic Doppler Velocimetry (PDV) können ebenfalls verwendet werden. Dieser Laser Interferometer-System wurde von Lawrence Livermore National Laboratory entwickelt und nutzt eine 1550 nm CW-Laserquelle. Durch den Laser auf ein bewegliches Ziel ein Lenkend Sammeln der Doppler-verschobene Licht, kann die resultierende Schwebungsfrequenz analysiert werden, um einen Geschwindigkeitsverlauf des Targets zur Verfügung zu stellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hochgeschwindigkeits-Foto-Techniken bieten diese Geschwindigkeit Spuren eine kontinuierliche Aufzeichnung der Geschwindigkeit des Ziels als Funktion der Zeit. Diese Messtechnik hat sich in den letzten Jahren erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen und ist allgegenwärtig in DoD und Department of Energy (DoE) explosive Charakterisierung Labors werden.
Um die CJ Druck eines neuen explosive ein PDV System berechnet werden, die Partikelgeschwindigkeit zwischen der explosiven und einem Polymethylmethacrylat (PMMA) Fenster zu messen. Eine sehr dünne Folien, meist aus Aluminium oder Kupfer, wird an dieser Grenzfläche platziert als Reflexionsfläche wirkt. In diesen Studien wurde Kupfer verwendet. Diese Folie sollte dünn genug sein, signifikante Abschwächung Schockwelle zu verhindern, während dick genug, um von der Detonation Licht zu verhindern, die durch. Typischerweise wird ein Foliendickevon 1.000 Angström ist für die meisten Versuchsaufbauten ideal. Angesichts der Partikelgeschwindigkeit in dem PMMA und die Detonationsgeschwindigkeit des Sprengstoffs kann die Detonationsdruck mit Hugoniot Schock passenden Gleichungen berechnet werden. 6
Während die FODV Test bei 0,75 "Ladung Durchmesser durchlaufen ein etablierter Standard bei ARDEC, PDV-basierten Tests ständig Verfeinerung. Je nach der explosiven Formulierung, entweder eine oder beide Tests können verwendet werden, Detonationsgeschwindigkeit und Detonationsdruck zu charakterisieren.
Protocol
VORSICHT! Die Verarbeitung, Handhabung und Prüfung von hochexplosiver Stoffe (Gefahr Abteilung Klasse 1 Materialien) dürfen nur von geschultem Fachpersonal durchgeführt werden. Sprengstoffe sind empfindlich gegen Schlag, Reibung, elektrostatische Entladung und Schock. Nur genehmigt Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen verwenden, die große Mengen von Klasse 1 Materialien verarbeiten kann.
1. ARDEC LWL-Detonationsgeschwindigkeit-Test
- Schneiden Sie Lichtwellenleiter auf Länge fiberoptische Schneider und bündeln in Gruppen von fünf Kabeln. Basierend auf ortsspezifische Testraumgeometrien, sind 15-Meter-Längen der Regel verwendet. Bandkabel Mantelmaterials zurück 15 mm an einem Ende des Bündels und 5 mm am anderen Ende des Bündels. Reinigen Sie die abgeschnittenen Enden der Faser-Optik mit P800 Schleifpapier alle Grate zu entfernen.
Hinweis: Durch den zerstörerischen Natur dieses Tests wird optische Kunststofffaser bevorzugt. Optische Fasereigenschaften sind wie folgt; Polymethylmethacrylatharz(PMMA) Kernmaterial (980 & mgr; m Durchmesser), Fluorpolymermantelmaterial (1000 & mgr; m Durchmesser), 1,49 Kernbrechungsindex, 0,5 numerische Apertur. - Messen Testprobe und Zusammensetzung A-3 Typ-II-Booster Pelletdurchmessern, Längen und Massen eine hohe Genauigkeit Sattel und Waage.
Achtung: Während der typische Test 1,905 cm Durchmesser von 2,54 cm Länge Pellets verwendet, kann das Testverfahren mit jeder Größe Pellet verwendet werden, sofern die Kunststoffhalterung der Glasfaserkabel auf jedem Pellet zentriert hält. Für die Untersuchungen in dieser Arbeit wurden die 1,905 cm Durchmesser Pellets verwendet. - Legen Sie die explosive Pellets, einer nach dem anderen, in die Kunststoffhalterung durch die Rohrinnendurchmesser erweitert über neugierigen den Schlitz offen. Nehmen Explosivstoffpille Zahlen und Standorte in der Halterung. Dann laden Sie die Booster-Pellet in das Rohr von der Spitze der Halterung.
- Platzieren Acrylzünderhalter auf der Oberseite des Verstärkerpellets.
Hinweis: RP-502 Exploding Brücken Detonators(EBWs) werden in der Regel eingesetzt. Andere Zünder könnte ersetzt werden, obwohl Neukalibrierung des Tests notwendig wäre. - Setzen Sie die kürzeren freigelegten Enden (5 mm) der optischen Fasern in die Zweistufenbohrungen in der Detonationsgeschwindigkeit Prüfvorrichtung.
Anmerkung: Die zweistufige Löcher gewährleisten genügend Luft zur Ionisierung beim Durchgang der Detonationsfront, die zu einem starken Signal führt. Die Löcher für die Befestigung sollte eine 0,021-Zoll-Durchmesser von 0,020 Länge Innenloch gegen die explosive und eine 0,042-Zoll-Durchmesser-Loch zum Einführen des faseroptischen. Wenn Kunststofffasern verwendet werden, kann Anschleifen des Außendurchmessers der optischen Faser in Abhängigkeit von sowohl Faserdurchmesser und Prüfvorrichtung Toleranzen erforderlich. Sicherzustellen, dass der Lichtwellenleiter vollständig eingeführt ist (sitzend auf der Stufe in dem Zweistufenbohrung). - Kleber / Epoxy die Fasern an Ort und Stelle. Verwenden Sie 5 min Epoxid für dieses Protokoll.
- Wenn das Epoxid die Fasern in vollständig ausgehärtet ist halten, stellen die Acrylic Rohr die explosiven Pellets auf der Oberseite des Stahlkegelplatte enthält. Sichern Sie den Text Befestigung an der Stahlplatte entweder mit einem Gewicht oben drauf oder Band. Sicherzustellen, dass es nicht ein Luftspalt zwischen der Bodenfläche der letzten explosive Pellets und der Stahlkegelplatte.
- Epoxy 360 ° um die Testvorrichtung es dem Zeugen Platte haften. Nachdem das Epoxy vollständig geheilt ist, legen Sie den Zünder in dem Zünder Halter, der an der Spitze der Testvorrichtung ist und es an Ort und Stelle mit Klebeband sichern.
- Transportieren Sie das Testvorrichtung zu der Testkammer und legen mehr freiliegenden Enden (15 mm) der optischen Fasern in die Photodiode Summierbox. Verbinden Sie die Fotodiode Summierbox oder andere Datenerfassungsverfahren, gegebenenfalls mit einem Oszilloskop (1 GHz Bandbreite ist mehr als ausreichend).
- Schließen Sie einen Schusslinie zu den RP-80 Zünder. Schließen Sie alle erforderlichen Türen / ports / usw. und Bereich Sperroperationen pro Anlage explosive Test durch Brennen (standard Operating Procedures) SOPs.
- Bestätigen Oszilloskop-Trigger Spannung / Division, Zeit / div-Einstellungen. Verbinden den Abzug aus dem Hochspannungs FireSet mit einer Auslöseschwelle von 3,0 V mit einem Kanal auf dem Oszilloskop. Verbinden Sie die Fotodiode Summierbox auf einen zweiten Kanal auf dem Oszilloskop. Stellen Sie beide Kanäle bis 5 V / Teilung und die Zeitbasis bis 5 & mgr; s / Teilung, mit einer Verzögerungseinstellung von -20 us.
- Detonieren das Einzelteil über hochenergetische FireSet.
- Messen Sie die Spitzen zu Zeit von der Ausgabe der Photodiode Summierung Feld entspricht. verwenden Spitzenspannungen bestimmten Zeiten aus dem Bildschirm des Oszilloskops Spur, um festzustellen, obwohl ersten Anstieg ein besserer Indikator je nach Ausstattung kann verwendet werden.
- Berechnen Detonationsgeschwindigkeit von den fünf Zeitpunkten vom Oszilloskop übernommen. Da der Abstand der einzelnen Lichtwellen bekannt ist, die Berechnung der Detonationsgeschwindigkeit, indem der Abstand zwischen jedem Stift durch die Zeit zwischen jeder Spitze Teilen (diHaltung / Zeit = Geschwindigkeit). Der Mittelwert und Standardabweichung sind beide ausgewiesen.
- Berechnen Sie die Tiefe der Delle in der Stahlkegelplatte durch eine kalibrierte Stahllager in der Vertiefung platziert, das Mindestniveau zu finden, und dann verwendet, um einen Tiefenmesser, die Tiefe zu bestimmen.
2. Foto Doppler Velocimetry
- Maschine ein Fenster aus PMMA bemessen an den Durchmesser der Sprengladung etwa 6,5 mm dick. Stellen Sie sicher, dass das Fenster optisch klar ist und frei von irgendwelchen Bearbeitungsfehler. Um dies zu erreichen eine optisch klare Folie aus gegossenem Acrylglas und Bearbeitung aus den Festplatten nehmen eine Laserschneider oder ähnlichen Bearbeitungsverfahren. Dann nutzen Wasserstrahlen eine optisch klare Oberfläche zu erhalten.
- Stellen Sie sicher, dass die Aluminiumfolie Dicke 0,005 nicht überschreitet "pro Herstellerspezifikationen. Wenn die Folienoberfläche ist makellos (spiegelnd), Rolle über die Oberfläche mit einer geschliffenen Edelstahlkugellager. Eine diffuse Oberfläche ergibt eine optimale Laser back Reflexion, auch wenn die Ausrichtung leicht ausgeschaltet ist.
- Verwenden Sie einen dünnen, optisch klaren Acrylbasis Klebeband die Aluminiumfolie auf die PMMA-Fenster anzubringen. Stellen Sie sicher, dass sich keine Luftblasen zwischen dem PMMA und dem Aluminium.
- Messen Sie die explosive Probe Pelletdurchmessern, Längen und Massen. Mithilfe hochgenaue Messschieber und Balance.
- Befestigen Sie die explosive Probe Pellets miteinander eine kontinuierliche Ladung zu bilden, einschließlich der Booster (falls erforderlich). Tragen Sie Fett an jedem explosiven Schnittstelle bei der Montage Luftspalte bei Pellet-Schnittstellen zu minimieren.
- Berg Detonationsgeschwindigkeit Stifte in eine Acrylbefestigung. Diese können entweder optische Fasern oder Piezostifte sein. Die Positionen der Stifte in Bezug auf die Ladung bekannt sein.
- Bringen Sie den Acryl-Detonationsgeschwindigkeit Stifthalter zur Verfügung. Tape ist ausreichend, um die Acryl-Stifthalter auf die Ladung zu halten. Typischerweise sind die Faser / Stiftpositionen am nächsten zum Boden der explosive charge so dass steady state Detonation beobachtet werden.
- Bringen Sie den Zünder zu der Ladung. Kehren Sie die montierten Ladung und stabilisieren es in dieser Ausrichtung für die Anbringung der Fenster aus PMMA vorzubereiten. Legen Sie eine kleine Menge Fett auf die explosive Gesicht zu Luftblasen an der Aluminium / explosive Schnittstelle verhindern.
- Befestigen Sie die Folienseite der PMMA-Fenster auf die Sprengladung. Wenn das Fenster und Ladung konzentrisch sind, verwenden Sie den Umfang Band. Wenn nicht, kleben die Achse der Sprengladung nach unten.
- Sobald das Fenster aus PMMA sicher an der Sprengladung angebracht ist, bringen Sie das Acryl PDV Sondenhalter auf der PMMA-Fenster mit Klebeband. Legen Sie die PDV Sonde in den Sondenhalter PDV.
- Richten Sie die PDV-Sonde in die Halterung mit einer Rückreflexion Meter. Das Gerät gibt einen Laserstrahl geringer Leistung und misst die Rückreflexion Amplitude. Ein Rückreflexion von -10 dBm bis -20 dBm ist wünschenswert. Epoxidharz Die PDV-Sonde an Ort und Stelle, wenn die Rückstrahlung festgestellt worden zu seinoptimal.
- Setzen Sie den Prüfling in der Kammer und legen sowohl die Detonationsgeschwindigkeit Drähte (Glasfaser- oder piezoelektrisch) und die PDV-Faser. Schließen Sie einen Schusslinie zu einer RP-80-Zünder. Schließen Sie alle erforderlichen Türen / ports / etc. und leiten Bereich Sperroperationen pro Anlage explosive Probeschießen SOPs.
- Bestätigen Oszilloskop-Trigger Spannung / Division, Zeit / div-Einstellungen. Bestätigen PDV Systemeinstellungen. Beachten Signallaser und Referenzlaser Amplituden und ändern, falls erforderlich.
- Detonieren das Einzelteil über hohe Energie FireSet. Sparen Oszilloskop Spuren für beide PDV Daten und Detonationsgeschwindigkeit Daten.
- Analysieren Sie die PDV-Daten in entsprechenden Datenanalyse-Programm. Die rohe PDV-Signal muss eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) basierte Analyse-Paket verarbeitet werden.
Hinweis: Mit dem bei der Frequenz Inhalt dieser Rohsignal suchen, und die Anfangsfrequenz der Lichtquelle zu kennen (1550 nm) erzeugt der FFT-Analyse-Paket eine Geschwindigkeit Spektrogramm, dass Grundstückedie aufgezeichnete Geschwindigkeit als Funktion der Zeit. In diesem Fall PlotData, eine proprietäre United States Department of Energy grafische Benutzeroberfläche (GUI), wird in Verbindung mit LabView-Software verwendet, um die FFT durchzuführen. vielen im Handel erhältlichen Analysepakete bestehen jedoch die in der Lage sind, diese Aufgaben durchzuführen. - Berechnen Detonationsgeschwindigkeit von den fünf Zeitpunkten vom Oszilloskop übernommen. Da der Abstand der einzelnen Lichtwellen bekannt ist, ist die Detonationsgeschwindigkeit durch Teilen der Distanz zwischen jedem Stift durch die Zeit zwischen jeder Spitze (Weg / Zeit = Geschwindigkeit) berechnet. Die durchschnittliche und Standardabweichung angegeben.
Representative Results
Ein typisches Setup für PDV ist in den 2 und 3 gezeigt, während die FODV Setup in Abbildung 4 dargestellt ist. Bei der Detonation werden die resultierenden Delle Platten aus traditionellen FODV Schüsse in 5 dargestellt ist, mit den Positions / Zeitergebnisse von PAX-30 und PBXN-5 in Figur 6. Beide Materialien besitzen ähnliche Detonationsgeschwindigkeiten (die Steigung der Linie), mit PAX-30 ~ 0,4 & mgr; s / mm langsamer. Obwohl es keinen signifikanten Unterschied zu sein scheint, ist es in der Tat in Anbetracht der Tatsache, dass PAX-30 Gewichts explosiven Füllung fast 20% weniger besitzt. Detonationsgeschwindigkeit ist nicht die abschließende Test der Aluminiumreaktion in der oder unmittelbar nach der Detonationsfront zu quantifizieren, aber es kann eine vorläufige Beurteilung von Aluminium Reaktion ergeben.
Abbildung 2. Ein typisches PDV-Setup. Die explosiven Pellets oder gegossen Sticks gestapelt sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3. PDV-Setup (nahe Ansicht). Die PDV-Setup an der Basis, wo die Flugplatte befindet. Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4. FODV Setup. Der Stick wird auf der Stahlkegelplatte geklebt beim Setup einen festen Kontakt und aufrechte Haltung zu gewährleisten. Der Zünder und Booster sind an der Spitze des Stockes. = "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig4large.jpg" target = "_ blank"> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 5. Dent aus FODV Test. Die Beule mit einem kalibrierten Tiefenmesser oder einem Profilometer gemessen wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 6. Detonationsgeschwindigkeit Berechnungen. Jeder Datenpunkt ist der Glasfaserstifte im FODV Setup. PAX-30 R 2 = 0,999717, RMSE (mittleren quadratischen Fehler) = 0,519693; PBXN-5 R 2 = 0,998778, RMSE = 1,342272.om / files / ftp_upload / 52950 / 52950fig6large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
| Sprengstoff | n | Detonationsgeschwindigkeit (mm / us) | CJ Druck (GPa, Teller Delle) | CJ Druck (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 |
Tabelle 1. Leistungsdaten aus Experimenten. N ist die totale Anzahl von Tests, die jeweils mit 5 LWL-Pins. Die PDV CJ Druck besteht aus einem Test nur.
Das Ausgabe von der PDV Spur der Flugplatte von der Unterseite der Sprengladung der Figuren 2-3 ist in 7 gezeigt. Die Schwingungen ergeben sich aus den in der Platte von der schnellen Beschleunigung auf nahezu 4-5 km / sec klingelt. Die CJ Druck wird von der Modellierung des Produktgases Hugoniot mit Coopers Annäherung berechnet, 6 und dann die CJ Punkt extrapoliert, wenn die Aluminium-explosive Hugoniot abgestimmt ist. Eine typische Siebdruck aus einer solchen Berechnung wird in 8 gezeigt. Die Technik hat noch einige Einschränkungen, da die Berechnung einer linearen Beschleunigung Extrapolation vom Beginn des Flyers Geschwindigkeit übernehmen. Dadurch ergibt sich der Druck etwas unterschätzt, wie durch die Ergebnisse belegt (Tabelle 1). Derzeit wird daran gearbeitet neuen Gleichungen zu entwickeln, die frühe Beschleunigung des Flugplatte passen.
laden / 52950 / 52950fig7.jpg "/>
Abbildung 7. Plattengeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit für die Messung von CJ Druck in der PBXN-5 explosiv. Beachten Sie die ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen zwei verschiedenen Aufnahmen, wo die Spuren praktisch auf einer fallen einem anderen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version diese Figur.
Abbildung 8. Die Berechnung der CJ Druck der Kupfer Flyer Plattendaten auf der PDV-Experiment. Beachten Sie, dass die Hochrechnung in der Anfangs Druck auf die Flugplatte eine lineare Beschleunigung übernimmt, die derzeit führt zu einer Unterschätzung der CJ Druck. Bitte klicken Sie hier, um die sehen eine größere Version dieser Figur. </ A>
Abbildung 9. Darstellung der Erweiterungs Isentropen für reagiert und nicht umgesetzte Aluminium in der Detonationsprodukte. Die blauen Geraden sind die Tangente Lösungen, die auf die Detonationsgeschwindigkeit proportional sind. Beachten Sie die umgesetzte Al Produkte Lösung, um die Detonationsgeschwindigkeit zwingen, dass sie niedriger als die nicht umgesetzten Al-Lösung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Discussion
Beachten Sie die berechnete Druckunterschiede zwischen den beiden Sprengstoff-Formulierungen. Die aluminisierte explosive weist weniger Druck, teilweise durch weniger Nitramin (HMX) Laden, sondern auch, weil das Aluminium reagiert mit Sauerstoff in den expandierenden Detonationsgase, die von einem unteren Detonationsdruck in einem kleineren dent führt. Die PBXN-5 übt eine höhere Detonationsdruck aufgrund seiner höheren Gasgehalt bei einer Detonation im Vergleich zu PAX-30 (36,2 Mol / kg für PBXN-5 im Vergleich zu 33,1 Mol / kg für PAX-30). Fortgeschrittenere Zustandsgleichungen (EOS), die von Wand Geschwindigkeitsmessungen verwendet werden, um die Bedingungen der explosiven Produkte bei solch extremen Temperaturen und Drücken zu beschreiben. 10,11 Dies wird Gegenstand zukünftiger Handschriften sein.
Es war offensichtlich, dass, wenn frühzeitige Reaktion eines Metalls in einer explosiven auftritt, ist die erfasste Detonationsgeschwindigkeit niedriger, als wenn das Metall nicht reagiert. Dies ist etwas kontraintuitiv; einswürde erwarten, dass die Geschwindigkeit, wenn mehr Energie Ablagerungen in den expandierenden Detonationsfront durch exotherme Reaktion von Aluminium zu erhöhen. Die Abnahme der Detonationsgeschwindigkeit ergibt sich aus Lösungen für die Druckdichte Hugoniots. Das spezifische Volumen (inverse Dichte) -Druck Isentrope bezeichnet Änderungen in als Produkte aus der Detonation erweitern (von in Abbildung 9 links nach rechts). 6 Die Erweiterung Isentrope repräsentiert solche Detonation Produkte, die thermodynamisch bilden können und entlang der druckspezifischen Volumenkurve erweitern . Im Verlauf der Expansion, wenn der Aluminium oxidierte Spezies zu bilden, reagiert, kommt es zu einer allgemeinen Abnahme der Dichte des Gases und führt zu einer geringeren Geschwindigkeit. Dieser wird in einer Expansions Isentrope unterhalb der Lösung für die nicht-reaktive Aluminium (Abbildung 9) manifestiert. Da die Detonationsgeschwindigkeit der Tangente schneidenden Isentrope vom Ausgangsdichte auf der x-Achse ist, ist es die Detonation v offensichtlicheLocity muß abnehmen, wenn das Aluminium in der Formulierung reagiert.
Zusammenfassend geht die United States Department of Defense, um aktiv die angewandte Forschung und Charakterisierung von neuen energetischen Materialien mit traditionellen und neuen Technologien verfolgen. Im Falle von PDV, ist es ein wertvolles Instrument, die Sprengstoffe mit extremer Genauigkeit und liefert den Forschern wertvolle Einblicke in die explosive Wirksamkeit auszeichnet. Diese schnelle Testzyklus verringert sich erheblich Kosten und die für die Formulierung Optimierung und Prüfungsanforderungen benötigt Zeit.
Disclosures
DISTRIBUTION A: Freigegeben zur Veröffentlichung freigegeben; Verteilung ist unbegrenzt. Die Autoren haben nichts zu enthüllen.
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
Technik Heft 108 Sprengstoffe Detonation Testen Fiber-Optik Foto Doppler 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.
