Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Forskning och utveckling av högpresterande Sprängämnen

doi: 10.3791/52950 Published: February 20, 2016

ERRATUM NOTICE

Abstract

Utvecklings testning av högexplosiva sprängämnen för militära tillämpningar innebär småskalig formulering, säkerhetstester, och slutligen detonation prestandatester för att verifiera teoretiska beräkningar. småskalig För nyutvecklade formuleringar börjar processen med småskaliga blandningar, termisk provning, och effekter och friktionskänslighet. Först då gör efterföljande större skala formuleringar vidare till detonation testning, som kommer att behandlas i detta dokument. Senaste framstegen inom karakteriseringstekniker har lett till enastående precision i karakterisering av tidiga tidsutvecklingen av detonationer. Den nya tekniken för foto Doppler Velocimetry (PDV) för mätning av detonationstryck och hastighet kommer att delas och jämföras med traditionella fiberoptiska detonationshastighet och platt dent beräkning av detonationstryck. I synnerhet kommer den roll som aluminium i explosiva formuleringar diskuteras. Den senaste utvecklingen har lett till utvecklingen av explosiva formulations som resulterar i reaktion av aluminium mycket tidigt på detonations produkten expansion. Denna förbättrade reaktion leder till förändringar i detonationshastighet och tryck på grund av reaktion av aluminium med syre i de expanderande gas produkter.

Introduction

Utveckling av högexplosiva sprängämnen för militärt bruk innebär omfattande säkerhetsöverväganden och resursbegränsningar på grund av testanläggningen krav. På den amerikanska armén Armament Research and Development and Engineering Command (ARDEC), Picatinny Arsenal är sprängämnen utvärderas från forskarnivå genom hela livscykeln övervakning och demilitarisering. Nya sprängämnen som är säkrare för hantering, lagring och lastning utvärderas kontinuerligt i ett försök att tillhandahålla effektiva och säkra ammunition för Warfighter. Senaste lag dikterar att när så är möjligt, okänsligt krigsmateriel (IM) riktlinjer och krav följs. Därför, när nya sprängämnen syntetiseras och formuleras, är prestandatester av största vikt att säkerställa att de uppfyller användarnas krav. I detta sammanhang är mätning av detonationsegenskaper nyutvecklade PAX-30 jämfört med PBXN-5, en traditionell högpresterande sprängämne. I synnerhet mätning av dess detonations velostad och detonationstryck, som är viktiga för verifiering av teoretiska modeller och prestandaberäkningar, delas. PAX-30 utvecklades för att ersätta äldre sprängämnen såsom PBXN-5 med hjälp av reaktiva aluminium.

Aluminium har en hög entalpi oxidation som aluminium på en per molbasis:

2AI + 3/2 O2 -> Al 2 O 3 (1670 kJ / mol)

Genom att tillsätta aluminium i stället för stötkänsliga explosiva ingredienser formuleringen återges mer säkert att extern chock och risk förolämpningar. Detta bidrar effektivt uppfylla Okänslig Munition (IM) United Nation krav medan samtidigt upprätthålla prestanda som krävs för militära tillämpningar. 2,3.4

Anläggningarna för att testa sådana artiklar är unika och högt specialiserad. Några inledande tester utförs för att screena sprängämnen före hantering i stora mängder. Tessa tester omfattar termisk karakterisering med differentialscanningkalorimetri (DSC) och påverkan och friktionstest. För DSC tester, är ett litet testprov upphettas vid en konstant hastighet i en inert atmosfär, och mängden och riktningen av värmeflödet övervakas. För slag och friktionstest provet utsätts för förolämpningar från en standardiserad fallande vikt (Bundesanstalt für Materialprüfung eller BAM Impact) och för friktionstest en standardiserad keramisk stift och plattan (Bundesanstalt für Materialprüfung eller BAM Friction). 5

När formuleringarna anses säker för hantering, ytterligare uppskalning uppnås genom egna blandningsteknik. Kort sagt, högexplosiva ämnen delas in i tre kategorier:

Smält-gjutna, i vilken bindemedlet är ett smält-fas-materialet som en vax, trinitrotoluen (TNT), dintroanisole (DNAN), eller annat smältbart material. Energiska eller bränsle fasta ämnen kan införlivas med en noggrann genomgång av partikel storlek och kompatibilitet.

Cast-härdning, i vilken bindemedlet är ett gjutbart polymer, såsom hydroxylterminerad polybutadien (HTPB), polyakrylat eller annan epoxi-typ plast som är flytande i sitt oreagerade tillstånd, men vid initiering stelnar till en fast substans. Fastämnen är införlivade i matrisen under sitt flytande tillstånd.

Trycks in, i vilken torrhalt är mycket hög, ofta närmar sig nästan 95 vikt%, med ett bindemedel som tillsätts för att belägga de fasta ämnena med användning av en lack eller strängsprutningsprocess.

När pressade eller gjutna, materialen bearbetas med hjälp av standardmetoder för att få en ordentlig geometri för en önskad test. I detta papper, PAX-30 och PBXN-5 är högpresterande pressade sprängämnen. Formuleringarna görs genom en uppslamning-beläggningsprocess, i vilken energirika nitramin kristaller (HMX, RDX, eller CL-20) och aluminiumpartiklar är suspenderade i en vattenhaltig lösning. En lack med den egenutvecklade binde is tillsätts sedan. Vid lack Dessutom polymer belägger de explosiva kristaller suspensionen upphettas under vakuum för att driva bort lösningsmedlet, och partiklarna filtreras sedan och torkas. De granulatliknande partiklar pressas därefter till den önskade konfigurationen.

detonationshastighet

För att bestämma den detonationshastighet, måste en övervaka ankomsten av detonationsfronten i materialet. En detonation definieras som en självbärande momentan ökning av tryck och temperatur som är snabbare än ljudhastigheten i materialet. Den blir självunderhållande när temperaturen och trycket är tillräckliga för att ge exoterma reaktioner bakom förökningsreaktionsfronten. Ett sådant beteende realiseras genom att införliva oxiderande grupper såsom nitratgrupper i vissa material av formationen. Två exempel kallas RDX (cyklo-1,3,5-trimetylen-2,4,6-trinitramine) och HMX (cyklotetrametylentetranitramin) visas iI figur 1, som i stort sett är de mest använda energetiska material i amerikanska försvarsministeriet (Department of Defense). Notera syrebalansen av molekylerna, vilket resulterar i den självföröknings exoterm reaktion bakom stötfronten.

Figur 1
Figur 1. RDX (cyklo-1,3,5-trimetylen-2,4,6-trinitramine, vänster) och HMX (cyklotetrametylentetranitramin, höger). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Ett sätt att bestämma hastigheten hos detonationsfronten är att övervaka sin position som en funktion av tiden. Fiberoptiska detonationshastighet (FODV) testning utförs för att bestämma detonationshastigheten av ett explosivt material. En akryl fixtur har utformats för att hålla den explosiva prov, och lokalisera den optiskafibrerna vid kända avstånd ned laddningslängden. Standardtestet använder en 5-tums lång med 0,75 tums diameter explosiva prov med fem totalt optiska fibrer; botten fibern är belägen 0,50 tum från botten av laddningen och varje successiv fiber är belägen en tum ovanför den nästa. De hål som borrats i den akryliska fixturen är två-stegade hål. Hålet med större diameter är dimensionerad att passa den kärnan och manteln för den optiska fibern och hålet med mindre diameter tjänar som ett slutet luftutrymme. Som detonationen fortskrider genom den explosiva provet, tryckvågor som fram exciterar begränsade luftrummet som producerar en kort, ljus blixt som kan observeras med fiberoptik.

Den fiberoptiken som används för detta test besitter en billig plastkärna. På grund av den destruktiva naturen av testet och samstämmigheten i luften chock, var högre kvalitet fibrer, inte visat sig vara nödvändig för att upprätthålla hastighetsdata av hög kvalitet. Testanläggningen på Picatinny Arsenalanvänder summerade fotodioder för att översätta ljuset från detonationen i spänning. Amplituden hos spänningsspiken är oviktigt för detta test. En 1-GHz oscilloskop är ansluten till fotodioden summeringsrutan, även om det samplingshastigheten är långt utöver vad som är nödvändigt för detta test. De optiska fiber "toppar" kan antingen bestämmas genom att först stiga av signal eller toppvärdena. Med tanke på avståndet mellan optiska fibrer och tidsskillnaden mellan detonations ankomst, är detonationshastighet bestäms sedan.

detonationstryck

Detonationstryck beräknas genom att mäta buckla djupet i en standardstålplatta resulterande från den explosiva s detonation. Dent djup är väl korrelerade till kända tryckvärden för en mängd olika explosiva föreningar. Vanligtvis, eftersom de flesta sprängämnen uppfyller Chapman-Jouguet (CJ) förutsättning för en detonations att inträffa, detonationstrycket benämnes typisktsom CJ tryck, och det kommer att vara från denna punkt framåt i den här artikeln. Laddningsenheten är placerad på toppen av en stålplatta, en så kallad "registreringsplatta", och detonationsresulterar i en buckla i plattan. Bucklan djup standard 0,75-tums laddnings diameter för många explosiva ämnen med kända detonationstryck jämförs sedan med test buckla djup. Detonationstryck av plattan buckla är en tillförlitlig metod med många års dokumenterade data för acceptabla korrelationer. Men det är en detonation en dynamisk, snabb kemisk reaktion, och under de senaste åren har det blivit önskvärt att använda verktyg med högre upplösning för att observera trycktiden historia.

Att direkt mäta detonationstryck av en explosiv, kan också användas Photonic Doppler Velocimetry (PDV). Denna laser interferometer Systemet har utvecklats av Lawrence Livermore National Laboratory och använder en 1550 nm CW laserkälla. Genom att rikta lasern på ett rörligt mål end uttag av den Doppler-skiftade ljus, den resulterande interferensfrekvensen kan analyseras för att ge en hastighets spår av målet. Till skillnad från traditionella höghastighets fotografiska tekniker, dessa hastighets spår ger en kontinuerlig registrering av målets hastighet som en funktion av tiden. Denna mätteknik har fått stor uppmärksamhet under de senaste åren och har blivit allmänt förekommande i DoD och Department of Energy (DOE) explosiva karakterisering Labs.

För att beräkna CJ trycket av en ny explosiv, kan ett PDV systemet användas för att mäta partikelhastigheten mellan sprängämnet och en polymetylmetakrylat (PMMA) fönster. En mycket tunn folie, vanligtvis aluminium eller koppar, placeras på detta gränssnitt för att verka som en reflekterande yta. I dessa studier var koppar som används. Denna folie bör vara tillräckligt tunt för att förhindra betydande stötvåg dämpning samtidigt som tillräckligt tjock för att förhindra detonation ljus från att passera igenom. Typiskt en folietjocklek1000 Ångström är idealisk för de flesta experimentella uppställningar. Med tanke på den partikelhastigheten i PMMA och detonationshastigheten hos sprängämnet, kan detonationstryck beräknas med Hugoniot chock matchande ekvationer. 6

Medan FODV test vid 0,75 "laddnings diameter är en etablerad standard på ARDEC är PDV-baserade test ständigt genomgår förfining. Beroende på den explosiva formuleringen, kan antingen ett eller båda testen användas för att karakterisera detonationshastighet och detonationstryck.

Protocol

FÖRSIKTIGHET! Bearbetning, hantering och kontroll av högexplosiva ämnen (riskgrupp klass 1-material) bör endast utföras av utbildad och kvalificerad personal. Sprängämnen är känsliga för påverkan, friktion, elektrostatisk urladdning, och chock. Använd endast godkända forskning och utveckling som kan hantera stora mängder av klass 1-material.

1. ARDEC Fiberoptiska detonationshastighet Test

  1. Skär optisk fiber till längd med fiberoptiska fräsar och bunta i uppsättningar av fem kablar. Baserat på platsspecifika tester kammargeometrier, är 15 meters längder används typiskt. Bandkabel mantelmaterialet tillbaka 15 mm på en ände av knippet och 5 mm på den andra änden av knippet. Polera de avskurna ändarna av fiberoptiken med P800 sandpapper för att avlägsna eventuella grader.
    Obs: På grund av den destruktiva naturen hos detta test, är plast optisk fiber föredras. Optiska fiberegenskaper är följande; Polymetylmetakrylat Resin(PMMA) kärnmaterial (980 um diameter), fluorpolymer beklädnadsmaterial (1000 um diameter), 1,49 kärnbrytningsindex, 0,5 numerisk bländare.
  2. Mäta testprov och komposition A-3 Typ II booster pellets diametrar, längder, och massorna med användning av en hög noggrannhet oket och balans.
    Obs: Medan den typiska testet använder 1,905 cm diameter 2,54 cm längd pellets, kan testförfarandet användas med valfri storlek pellets under förutsättning att plast fixturen håller fiberoptiska kabeln centrerad på varje pellet. För testerna i denna studie pellets de 1,905 cm diameter används.
  3. Ladda explosiva pellets, en efter en, i plast fixturen genom att utöka rörets innerdiameter via nyfikna spåret öppet. Spela explosiva pellets och -plats i fixturen. Sedan ladda booster pelleten i röret från toppen av fixturen.
  4. Placera akryl detonator hållare ovanpå booster pelleten.
    Notera: RP-502 exploderande bryggSprängKapslar(EBWs) används vanligtvis. Andra sprängkapslar kunde ersättas, även om omkalibrering av testet skulle vara nödvändigt.
  5. Sätt de kortare exponerade ändarna (5 mm) hos de optiska fibrerna i de två-steg hål i detonationshastighet provningsfixturen.
    Obs: tvåstegs hål se till att det finns tillräckligt med luft för jonisering vid passage av detonationsfronten som leder till en stark signal. Hålen för fixturen bör ha en 0,021-tums diameter av 0,020 längd inre hålet mot den explosiva och en 0,042-tums diameter hål för insättning av den fiberoptiska. Om plastfibrer används, kan lätt slipning av den yttre diametern av den optiska fibern är nödvändig beroende på båda toleranser fiberdiameter och provningsfixturen. Se till att den optiska fibern är helt införd (sittande på steget i två steg hål).
  6. Lim / Epoxy fibrerna på plats. Använd 5 min epoxy för detta protokoll.
  7. När epoxi håller fibrerna i helt har härdat, placera akrylic rör innehållande de explosiva pellets på toppen av stålregistreringsplatta. Säkra text fixturen till stålplåten med antingen en vikt på toppen av det eller tejp. Se till att det inte finns ett luftgap mellan bottenytan av den sista spräng pelleten och stålregistreringsplatta.
  8. Epoxi 360 ° runt provningsfixturen, som ansluter sig till den registreringsplatta. Efter att epoxin har fullständigt härdat, placera detonatorn i sprängkapseln hållare som är på toppen av test fixturen och fäst den på plats med tejp.
  9. Transportera provningsfixturen till testkammaren och sätta in längre exponerade ändarna (15 mm) hos de optiska fibrerna i fotodioden summerings rutan. Anslut fotodiod summerings rutan eller annan datainsamlingsmetod, i förekommande fall, till ett oscilloskop (1 GHz bandbredd är mer än tillräckligt).
  10. Anslut en skottlinjen till RP-80 detonator. Stäng alla nödvändiga dörrar / portar / etc och bedriva området Lockdown verksamhet per anläggning explosiva testavfyrnings (standard rutiner) SOP.
  11. Bekräfta oscilloskop trigger, spänning / division, tid / division inställningar. Anslut trigger ut från högspännings fireset med en utlösningströskel på 3,0 V till en kanal på oscilloskopet. Anslut fotodiod summering rutan till en andra kanal på oscilloskopet. Ställ båda kanalerna till 5 V / division och tidbasen till 5 isek / division, med en fördröjning inställning av -20 ps.
  12. Detonera objekt via hög energi fireset.
  13. Mäta de toppar som motsvarar tiden från utgången hos fotodioden summeringsrutan. Från oscilloskopet skärmen spår, använd toppspänningar för att bestämma specifika tider, även om första ökningen kan vara en bättre indikator beroende på vilken utrustning som används.
  14. Beräkna detonationshastighet från de fem tidpunkter förvärvats från oscilloskopet. Eftersom avståndet mellan varje fiberoptisk är känt, beräkna detonationshastighet genom att dividera avståndet mellan varje stift med den tid mellan varje topp (dihållning / tid = hastighet). Den genomsnittliga och standardavvikelsen är båda rapporteras.
  15. Beräkna djupet av buckla i stålregistreringsplatta genom att placera en kalibrerad stållager i buckla för att hitta den lägsta nivån, och sedan en djupmätare som används för att bestämma djupet.

2. Foto Doppler Velocimetry

  1. Maskin en PMMA-fönster dimensionerad till diametern hos sprängladdningen ungefär 6.5mm tjock. Se till att fönstret är optiskt klar och fri från eventuella bearbetningsdefekter. För att åstadkomma detta tar en optiskt klar skiva av gjuten akryl och bearbetning ut skivorna med hjälp av en laser-skärare eller liknande bearbetningsprocessen. Då, använder vattenstrålar för att erhålla en optiskt klar yta.
  2. Se till att aluminiumfolie tjocklek inte överstiger 0,005 "enligt tillverkarens specifikationer. Om folieytan är orörda (speglande), rulla över ytan med en slipad rostfri kullager. En diffus yta resulterar i optimal laser back reflektion, även om inriktningen är något utanför.
  3. Använd en tunn, optiskt klar, akrylbaserad tejp för att fästa aluminiumfolien till PMMA fönster. Säkerställa att det inte finns några luftbubblor mellan PMMA och aluminiumet.
  4. Mät explosiva prov pellets diametrar, längder och massorna. Använd hög noggrannhet bromsok och balans.
  5. Anbringa de explosiva testprov pellets till varandra för att bilda en kontinuerlig laddning, inklusive eventuella boosters (om nödvändigt). Fetta vid varje explosiv gränssnitt vid montering för att minimera luftspalter vid pellets gränssnitt.
  6. Mount detonationshastighet stiften i en akryl fixtur. Dessa kan vara antingen optiska fibrer eller piezoelektriska stift. Platserna för stiften med avseende på laddningen måste vara känd.
  7. Fäst akryldetonationshastighet stifthållaren till avgiften. Tape är tillräckligt för att hålla akryl stifthållaren till avgiften. Typiskt är de fiber / stiftplatser är närmast botten av den explosiva lmArge så att steady state detonation kan observeras.
  8. Fäst detonatorn till avgiften. Vänd monterade laddning och stabilisera den i denna riktning för att förbereda sig för att fästa PMMA fönstret. Placera en liten mängd fett på den explosiva ansiktet för att förhindra luftbubblor i aluminium / explosiva gränssnitt.
  9. Anbringa folie sidan av PMMA fönstret till den explosiva laddningen. Om fönstret och laddningen är koncentriska, använda tejp perifer. Om inte, tejpa ner axeln för den explosiva laddningen.
  10. När PMMA fönster är ordentligt fäst sprängladdningen, anbringa akryl PDV sondhållaren till PMMA fönster med tejp. Sätt PDV sonden i PDV sondhållaren.
  11. Rikta in PDV sonden i hållaren med en tillbakareflektion mätaren. Denna enhet matar ut en låg effektlaserstråle och mäter tillbakareflektionen amplitud. En tillbakareflektion av -10 dbm till -20 dbm är önskvärd. Epoxi PDV sonden på plats när återreflektion har bestämt sig för att varaoptimal.
  12. Placera testartikeln i kammaren och bifoga både detonationshastighet trådar (fiberoptisk eller piezoelektrisk) och PDV fiber. Anslut en skottlinjen till en RP-80 detonator. Stäng alla nödvändiga dörrar / portar / etc. och bedriva området Lockdown verksamhet per anläggningens explosiva provskjutning standardrutiner.
  13. Bekräfta oscilloskop trigger, spänning / division, tid / division inställningar. Bekräfta inställningarna PDV systemet. Observera signal laser och referenslaser amplituder och ändra vid behov.
  14. Detonera objekt via hög energi fireset. Spara oscilloskopspår för både PDV data och detonationshastighetsdata.
  15. Analysera PDV data i relevanta dataanalys program. Rå PDV-signalen måste behandlas med hjälp av en Fast Fourier Transform (FFT) baserad analys paket.
    Obs: Genom att titta på innehållet i denna råa signalfrekvens, och att veta den initiala frekvensen av ljuskällan (1550 nm), producerar FFT-analys paketet en hastighet spektrogram som tomterden inspelade hastigheten som en funktion av tiden. I det här fallet, PlotData, en patentskyddad United States Department of Energy grafiskt användargränssnitt (GUI), används tillsammans med LabView programvara för att utföra FFT. Det finns dock många kommersiellt tillgängliga analyspaket som är kapabel att utföra dessa uppgifter.
  16. Beräkna detonationshastighet från de fem tidpunkter förvärvats från oscilloskopet. Eftersom avståndet mellan varje fiberoptisk är känd, är detonationshastigheten beräknas genom att dividera avståndet mellan varje stift med den tid mellan varje topp (avstånd / tid = hastighet). Den genomsnittliga och standardavvikelsen har rapporterats.

Representative Results

En typisk konfiguration för PDV visas i figurerna 2 och 3, medan den FODV inställning visas i figur 4. Vid detonation, är de resulterande dent plattor från traditionella FODV skott visas i fig 5, med de position / tids resultaten av PAX-30 och PBXN-5 i figur 6. Båda materialen har liknande detonationshastigheter (lutningen på linjen), med PAX-30 ~ 0,4 ps / mm långsammare. Även om det kanske inte verkar vara en betydande skillnad, är det verkligen i ljuset av det faktum att PAX-30 besitter nästan 20% mindre vikt explosiv fyllning. Detonationshastighet är inte den avgörande test för att kvantifiera aluminium reaktion i eller omedelbart efter detonationsfronten, men det kan ge en preliminär bedömning av aluminium reaktion.

figur 2
Figur 2. En typisk PDV installationen. De explosiva pellets eller gjutna pinnar staplas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. PDV setup (nära vy). Den PDV inställning vid basen där flyer plattan ligger. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4. FODV setup. Käppen är epoxied på stålregistreringsplatta för att säkerställa en solid kontakt och upprätt hållning under installationen. Detonatorn och bältes är på toppen av pinnen. = "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig4large.jpg" target = "_ blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5. Dent från FODV testet. Den buckla mäts med en kalibrerad djupmätare eller en profilometer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 6
Figur 6. Beräkningar Detonation ränta. Varje datapunkt är från fiberoptiska stift i FODV setup. PAX-30 R2 = 0,999717, RMKF (root mean square error) = 0,519693; PBXN-5 R2 = 0,998778, RMSE = 1,342272.om / filer / ftp_upload / 52950 / 52950fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Explosiv n Detonationshastighet (mm / ps) CJ Pressure
(GPa, tallrik buckla)
CJ Pressure
(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

Tabell 1. Performance data från experiment. N är totala antalet tester, var och en med 5 fiberoptiska stift. PDV CJ Tryck består av endast ett prov.

De matas ut från PDV spår av flyer plattan från botten av den explosiva laddningen i fig 2-3 visas i figur 7. De svängningar uppstå genom ringningar i plattan från snabb acceleration till nästan 5/4 km / sek. CJ trycket beräknas utifrån modellering produktgasen Hugoniot med Cooper approximation, 6 och sedan extrapolera CJ punkten när aluminium explosiva Hugoniot matchas. En typisk screentryck från en sådan beräkning visas i fig 8. Tekniken fortfarande har vissa begränsningar eftersom beräkningarna antar en linjär acceleration extrapolering från början av reklambladet hastigheten. Detta resulterar i en något underskattar det tryck, vilket framgår av resultaten (tabell 1). Arbete pågår med att utveckla nya ekvationer för att passa den tidiga acceleration av flygblad plattan.

ladda / 52950 / 52950fig7.jpg "/>
Figur 7. Plate hastighet som en funktion av tiden för mätning av CJ trycket i PBXN-5 sprängämne. Notera utmärkt överensstämmelse mellan två olika bilder, där spåren faller praktiskt taget på varandra. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8
Figur 8. Beräkning av CJ trycket från koppar flyer märkdata på PDV experiment. Observera att extrapolering antar en linjär acceleration i den inledande tryck på flyer plattan som för närvarande leder till en underskattning av CJ tryck. Klicka här för att en större version av denna siffra. </ A>

figur 9
Figur 9. Visning av expansions isentropes för reagerat och oreagerat aluminium i detonationsprodukter. De blå raka linjer är tangent lösningar som är proportionell mot detonationshastighet. Notera den reagerade Al produkter lösning tvinga detonationshastighet vara lägre än den oreagerade Al lösning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Notera de beräknade tryckskillnader mellan de två explosiva formuleringar. De aluminiserade explosiva uppvisar mindre tryck, delvis på grund av mindre nitramin (HMX) lastning, men också på grund av att aluminium reagerar med syret i den expanderande detonationsgaserna, vilket resulterar i en mindre buckla från ett lägre detonationstryck. Den PBXN-5 utövar en högre detonationstryck på grund av dess högre gashalten vid detonation jämfört med PAX-30 (36,2 mol / kg för PBXN-5 jämfört med 33,1 mol / kg för PAX-30). Mer avancerade tillståndsekvationer (EOS) härrör från vägg hastighetsmätningar används för att beskriva villkoren för explosiva varor vid sådana extrema temperaturer och tryck. 10,11 Detta kommer att bli föremål för framtida manuskript.

Det var uppenbart att när tidig reaktion av en metall i en explosiv inträffar är den detekterade detonationshastighet lägre än om metallen inte reagerar. Detta är något bakvända; enförväntar hastigheten att öka om fler energi insättningar i den expanderande detonationsfronten på grund av exoterm reaktion av aluminium. Minskningen av detonationshastighet beror på lösningar till tryck densitet Hugoniots. Den specifika volymen (inverterad densitet) -pressure isentrope betecknar förändringar i som produkter från detonationen expandera (från vänster till höger i figur 9). 6 Expansions isentrope representerar de detonationsprodukter som termodynamiskt kan bilda och expandera längs volymkurvan tryckspecifika . Under loppet av expansion, om aluminium reagerar för att bilda oxiderade species, resulterar det i en total minskning i densitet av gas och leder till en lägre hastighet. Detta manifesteras i en expansions isentrope nedanför lösningen för den icke-reaktiva aluminium (figur 9). Eftersom detonationshastighet är tangentlinjen skär isentrope från startdensitet på x-axeln, är det uppenbart detonationen velocity måste minska när aluminium i formuleringen reagerar.

Sammanfattningsvis, United States Department of Defense fortsätter att aktivt driva tillämpad forskning och karakterisering av nya energetiska material med både traditionella och nya tekniker. När det gäller PDV, är det ett värdefullt verktyg som kännetecknar sprängämnen med extrem noggrannhet och ger forskarna värdefull insikt i den explosiva effektivitet. Denna snabba testcykel kraftigt minskar kostnader och den tid som behövs för formulering optimering och krav verifiering.

Disclosures

DISTRIBUTION A: Godkänd för offentliggörande; fördelningen är obegränsad. Författarna har ingenting att lämna ut.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Title 10, Chapter 141, Section 2389. United States Code. (2001).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Cooper, P. W. Explosives Engineering. Wiley-VCH. New York. (1996).
  7. Chapman, D. L. On the rate of explosion in gases. Philosophical Magazine Series 5. 47, (284), 90-104 (1899).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).

Erratum

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

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

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.

Forskning och utveckling av högpresterande Sprängämnen
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Cornell, R., Wrobel, E., Anderson, P. E. Research and Development of High-performance Explosives. J. Vis. Exp. (108), e52950, doi:10.3791/52950 (2016).More

Cornell, R., Wrobel, E., Anderson, P. E. Research and Development of High-performance Explosives. J. Vis. Exp. (108), e52950, doi:10.3791/52950 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter