ERRATUM NOTICE
Important: There has been an erratum issued for this article. Read more …
Abstract
Developmental afprøvning af høje sprængstoffer til militære applikationer involverer lille skala formulering, sikkerhed test, og endelig detonation præstationstest at verificere teoretiske beregninger. lille skala For nyudviklede formuleringer, processen begynder med små blandinger, termisk test, virkninger og friktion følsomhed. Først da gøre efterfølgende formuleringer større målestok videre til detonation test, som vil blive dækket i dette papir. Nylige fremskridt inden karakteriseringsteknikker har ført til enestående præcision i karakteriseringen af tidlig tidsudvikling af detonationer. Den nye teknik af foto-Doppler Velocimetri (PDV) til måling af detonation tryk og hastighed vil blive delt og sammenlignet med traditionelle fiberoptisk detonationshastighed og plade-dent beregning af detonation pres. Især vil den rolle af aluminium i eksplosive formuleringer drøftes. Den seneste udvikling har ført til udviklingen af eksplosive formulations der resulterer i omsætning af aluminium meget tidligt i detonation produkt ekspansion. Denne forøgede reaktion fører til ændringer i detonationshastigheden og tryk som følge af omsætning af aluminium med oxygen i de ekspanderende gasprodukter.
Introduction
Udvikling af sprængstoffer til militær brug indebærer omfattende sikkerhedshensyn og begrænsede ressourcer grundet test facilitet krav. På den amerikanske hær Armament forskning og udvikling og Engineering Kommando (ARDEC), Picatinny Arsenal, er sprængstoffer vurderes fra forskningsniveau gennem fuld overvågning og demilitarisering livscyklus. Nye sprængstoffer, der er sikrere for håndtering, opbevaring og lastning løbende evalueret i et forsøg på at give effektive og sikre ammunition til Warfighter. Seneste lov dikterer, at når det er muligt, ufølsomt over ammunition (IM) retningslinjer og krav følges. Derfor, når nye sprængstoffer syntetiseres og formuleret, performance test er altafgørende for at sikre, at de opfylder brugernes behov. I denne forbindelse er målingen af detonation egenskaber af nyudviklede PAX-30 sammenlignet med PBXN-5, en traditionel højtydende eksplosive. Især måling af dens detonation velobyen og detonation pres, der er vigtige for verifikation af teoretiske modeller og ydeevne beregninger, er delt. PAX-30 blev udviklet til at erstatte ældre sprængstoffer såsom PBXN-5 ved hjælp af reaktiv aluminium.
Aluminium har en høj enthalpi oxidation såsom aluminium på en per molær basis:
2AL + 3/2 O 2 -> Al 2 O 3 (1670 kJ / mol)
Ved at tilføje aluminium i stedet for stød følsomme eksplosive ingredienser, er formuleringen gøres mere sikkert at eksterne chok og fare fornærmelser. Dette hjælper effektivt opfylde Ufølsom Ammunition (IM) United Nation krav, mens på samme tid at fastholde forestillingen nødvendig for militære applikationer. 2,3.4
Faciliteterne til at teste sådanne produkter er unikke og højt specialiserede. Nogle indledende tests udføres for at screene sprængstoffer før håndtering i store mængder. Tisse tests omfatter termisk karakterisering med differentiale (DSC) og virkning og friktion tests. For DSC test, er en lille testprøve opvarmes ved en konstant hastighed i en inert atmosfære, og mængden og retningen af varmestrømmen overvåges. For stød og friktion test prøven udsættes for fornærmelser fra en standardiseret faldende vægt (Bundesanstalt für Materialprüfung eller BAM Impact), og for den friktion test en standardiseret keramisk stift og plade (Bundesanstalt für Materialprüfung eller BAM Friction). 5
Når formuleringerne betragtes som sikkert for håndtering, yderligere opskalering opnås ved proprietære blandingsteknologier. Kort sagt, høje sprængstoffer falder i tre kategorier:
Smelt-cast, hvori bindemidlet er en smelte-fase-materiale som en voks, trinitrotoluen (TNT), dintroanisole (DNAN), eller et andet smelteligt materiale. Energiske eller brændstof faste stoffer kan indarbejdes med nøje overvejelse af parkel størrelse og kompatibilitet.
Cast-kur, ved hvilken bindemidlet er en støbelig polymer, såsom hydroxyl-polybutadien (HTPB), polyacrylat, eller andet epoxy-type plastic, som er flydende i sin uomsat tilstand, men ved indledningen størkner til et fast stof. Faste stoffer inkorporeres i matrixen under dens flydende tilstand.
Pressede, i hvilken faststofsindholdet er meget høj, ofte nærmer næsten 95 vægt-%, med et bindemiddel, der tilsættes til at overtrække de faste stoffer under anvendelse af en lak eller ekstruderingsproces.
Når presset eller støbt materialerne bearbejdes under anvendelse af standardmetoder til opnåelse af en korrekt geometri for en ønsket test. I dette papir, PAX-30 og PBXN-5 er højtydende pressede sprængstof. Formuleringerne sker gennem en opslæmning-coating proces, hvor energiske nitramine krystaller (HMX, RDX eller CL-20) og aluminium partikler er suspenderet i en vandig opløsning. En lak med proprietære bindemiddel iderefter tilsat s. Efter lak desuden de polymere coater eksplosive krystaller suspensionen opvarmes under vakuum for at uddrive opløsningsmidlet og partiklerne derefter filtreret og tørret. Granulatet-lignende partikler presses derefter til den ønskede konfiguration.
detonationshastighed
For at bestemme detonationshastigheden, må man overvåge ankomsten af detonationen foran i materialet. En detonation er defineret som en selvbærende øjeblikkelige stigning i tryk og temperatur, som er hurtigere end lydhastigheden i materialet. Det bliver selvbærende, når temperaturen og trykket er tilstrækkeligt til at tilvejebringe eksoterme reaktioner bag formerings reaktionen front. En sådan adfærd er realiseret ved inkorporering oxiderende dele, såsom nitrat grupper i visse materialer i formationen. To eksempler er kendt som RDX (cyclo-1,3,5-trimethylen-2,4,6-trinitramine) og HMX (cyclotetramethylenetetranitramine) er vist in Figur 1, som i det store og er de mest anvendte energiske materialer i USA DoD (Department of Defense). Bemærk oxygenbalancen af molekylerne, hvilket resulterer i selvpropagerende exoterm reaktion bag chok front.
Figur 1. RDX (cyclo-1,3,5-trimethylen-2,4,6-trinitramine, venstre) og HMX (cyclotetramethylenetetranitramine, højre). Klik her for at se en større version af dette tal.
En måde at bestemme hastigheden af detonationen forreste er at overvåge sin position som funktion af tiden. Fiber-optisk detonationshastighed (FODV) afprøvning udføres for at bestemme detonationshastigheden af et eksplosivt materiale. En akryl armatur er designet til at holde den eksplosive prøve, og find den optiskefibre på kendte afstande ned afgiften længde. Standarden test anvender en 5-tommer lang og 0,75 tommer eksplosive prøve diameter med fem totale optiske fibre; bunden fiber er placeret 0,50 tommer fra bunden af ladningen og hver successiv fiber ligger 1-tomme over den næste. De huller boret i akryl armaturet er to-aftrappede huller. hul med større diameter er dimensioneret til at passe til kernen og kappen af den optiske fiber og hul med mindre diameter tjener som et indelukket luftrum. Som detonationen skrider frem gennem den eksplosive prøve, trykbølgen exciterer det indesluttede luftrum producerer en kort, lyse flash, der kan observeres med fiberoptik.
De fiberoptik, der anvendes til denne test har en billig plast kerne. På grund af den destruktive karakter af testen og sammenhængen i luften chok, blev højere kvalitet fibre, ikke fundet at være nødvendig for at opretholde hastighed data af høj kvalitet. Testen facilitet på Picatinny Arsenalbruger summerede fotodioder til at oversætte lyset fra detonationen i spænding. Amplituden af spændingen spike er uden betydning i forbindelse med denne test. En 1-GHz oscilloskop er tilsluttet fotodiode opsummering boksen, selv om sampling rate er langt ud over hvad der er nødvendigt for denne test. De optiske fibre "toppe" kan enten bestemmes ved først stigning af signalet eller spidsværdier. Givet afstanden mellem optiske fibre og tidsforskellen mellem detonation ankomsten, er detonationshastighed derefter bestemt.
detonation Pressure
Detonationstryk estimeres ved at måle dent dybde i en standard stålplade resulterende fra den eksplosive s detonation. Dent dybder er godt korreleret med kendte trykværdier for en række eksplosive forbindelser. Normalt, da de fleste sprængstoffer tilfredsstille Chapman-Jouguet (CJ) betingelse for en detonation at forekomme, detonationen tryk omtales typisksom CJ pres, og det vil være fra dette punkt fremad i denne artikel. Ladningen samling er placeret på toppen af en stålplade, der kaldes en "vidne plade", og detonation resulterer i en bule i pladen. Den bule dybde på standard 0.75 tommer afgift diameter til mange eksplosive materialer med kendte detonationstryk sammenlignes derefter på prøve bule dybde. Detonation pres fra pladen bule er en pålidelig metode med mange års dokumenterede data for acceptable sammenhænge. Men en detonation er en dynamisk, hurtig kemisk reaktion, og i de senere år er det blevet ønskeligt at anvende værktøjer med højere opløsning for at observere det tryk-tid historie.
Til direkte at måle detonationstryk af en eksplosiv, kan Photonic Doppler Velocimetri (PDV) også anvendes. Denne laser interferometer system blev udviklet af Lawrence Livermore National Laboratory og udnytter en 1550 nm CW laser kilde. Ved at rette laseren på et bevægeligt mål end opsamling af Doppler-skiftet lys, den resulterende stødfrekvensen kan analyseres for at tilvejebringe en hastighed spor af målet. I modsætning til traditionelle high-speed fotografiske teknikker, disse velocity spor giver en kontinuerlig registrering af målets hastighed som funktion af tiden. Denne måleteknik har fået betydelig opmærksomhed i de sidste par år og er ved at blive allestedsnærværende i DoD og Department of Energy (DOE) eksplosive karakterisering laboratorier.
For at beregne CJ trykket af en ny eksplosiv, kan et PDV systemet, anvendes til at måle partiklens hastighed mellem sprængstof og en polymethylmethacrylat (PMMA) vindue. En meget tynd folie, sædvanligvis aluminium eller kobber, er placeret på denne grænseflade til at fungere som en reflekterende overflade. I disse undersøgelser blev kobber brugt. Denne folie skal være tynd nok til at forhindre signifikant trykbølge dæmpning samtidig være tyk nok til at forhindre detonation lys i at passere igennem. Typisk en folietykkelse1.000 Å er ideel til de fleste forsøgsopstillinger. Givet partiklens hastighed i PMMA og detonationshastigheden af sprængstoffet, kan detonationen tryk beregnes med Hugoniot chok matchende ligninger. 6
Mens FODV test på 0,75 "afgift diameter er en etableret standard på ARDEC, er PDV-baserede tests løbende undergår raffinement. Afhængigt af det eksplosive formulering, kan enten den ene eller begge prøver anvendes til at karakterisere detonationshastighed og detonation tryk.
Protocol
FORSIGTIGHED! Behandling, håndtering og afprøvning af højeksplosiver (Hazard Division Klasse 1-materiale), bør kun udføres af uddannet og kvalificeret personale. Høje sprængstoffer er følsomme over for stød, gnidning, elektrostatisk afladning, og chok. Brug kun godkendte forsknings- og udviklingsfaciliteter, der kan håndtere store mængder af klasse 1-materiale.
1. ARDEC Fiber-optisk detonationshastighed Test
- Skær optisk fiber længde ved hjælp fiberoptiske kuttere og samle i sæt af fem kabler. Baseret på stedspecifikke test kammer geometrier, er 15 meter længder typisk anvendes. Strip kabel kappemateriale tilbage 15 mm på den ene ende af bundtet og 5 mm i den anden ende af bundtet. Polere de afskårne ender af fiber-optik med P800 sandpapir korn til at fjerne eventuelle grater.
Bemærk: På grund af den destruktive karakter af denne test, er plast optisk fiber foretrækkes. Optisk fiber egenskaber er som følger; Polymethylmethacrylat Resin(PMMA) kernemateriale (980 um diameter), fluorerede polymer beklædning materiale (1000 um diameter), 1,49 core brydningsindeks, 0,5 numeriske åbning. - Mål prøven og sammensætning A-3 type II booster pellet diametre, længder, og masserne ved hjælp af en høj nøjagtighed caliper og balance.
Bemærk: Mens den typiske test anvender 1,905 cm i diameter med 2,54 cm længde pellets, kan testproceduren anvendes med enhver størrelse pellet billede plast armaturet holder lyslederkabel centreret på hver pellet. For prøverne i denne undersøgelse blev pellets de 1.905 cm diameter anvendes. - Læg de eksplosive pellets, en efter en, i det plastik armaturet ved at udvide rørets indre diameter via nysgerrige spalten åben. Optag eksplosive pellet numre og steder i armaturet. Derefter indlæse booster pellet ind i røret fra toppen af armaturet.
- Placer akryl detonator indehaver oven på booster pellet.
Bemærk: RP-502 Exploding Bridgewire detonatorer(EBWs) anvendes typisk. Andre detonatorer kunne erstattes, selv om re-kalibrering af testen ville være nødvendigt. - Indsæt de kortere udsatte ender (5 mm) i de optiske fibre ind i de to-trådte huller i detonationshastigheden prøveopspændingen.
Bemærk: De to-trins huller sikre, at der er tilstrækkelig luft til ionisering ved passage af detonation front, som fører til et stærkt signal. Hullerne til fiksturen skal have en 0,021-inch diameter med 0,020 længde inderste hul mod den eksplosive og en huldiameter 0,042 tommer til indsættelse af det fiberoptiske. Hvis der anvendes plastfibre, kan let slibning af den ydre diameter af den optiske fiber være nødvendig afhængigt af tolerancer både fiberdiameteren og fastholdelsesanordningen. Sørg for, at den optiske fiber er sat helt (siddende på trin i to trådte hul). - Lim / Epoxy fibrene på plads. Brug 5 min epoxy for denne protokol.
- Når epoxy holder fibrene i har fuldt hærdet, placere acrylic rør indeholdende eksplosive pellets oven på stål vidne plade. Fastgør tekst armaturet til stålpladen med enten en vægt oven på det eller tape. Sikre, at der ikke er en luftspalte mellem den nederste overflade af den sidste eksplosive pellet og stålet vidne plade.
- Epoxy 360 ° rundt om prøveopspændingen, vedhængende den til vidnet pladen. Efter at epoxyen er fuldt hærdet, placeres detonatoren i detonator holder, som er øverst for prøveopstillingen og fastgør det på plads med tape.
- Transporter prøveopspændingen på prøve kammer og indsætte længere udsatte ender (15 mm) af de optiske fibre ind i fotodiode summen kassen. Slut fotodiode summen kassen, eller andre datafangst metode i givet fald til et oscilloskop (1 GHz båndbredde er mere end tilstrækkeligt).
- Tilslut en skudlinjen til RP-80 detonator. Luk alle nødvendige døre / porte / osv og gennemføre området lockdown operationer per facilitet eksplosive test fyring (rtandard operationelle procedurer) SOP'er.
- Bekræft oscilloskop trigger, spænding / division, tid / division indstillinger. Tilslut udløseren ud fra den høje spænding fireset med en udløser tærskel på 3,0 V til én kanal på oscilloskopet. Slut fotodiode opsummering boksen til en anden kanal på oscilloskopet. Sæt begge kanaler til 5 V / division og timebase til 5 usek / division, med en forsinkelse på -20 psek.
- Detonere elementet via højenergi-fireset.
- Mål toppene for tiden fra outputtet af fotodioden summerende boksen. Fra oscilloskopet skærmen spor, bruge peak spændinger til at bestemme bestemte tidspunkter, selv om første stigning kan være en bedre indikator afhængigt af det anvendte udstyr.
- Beregn detonationshastighed fra de fem tidspunkter erhvervet fra oscilloskopet. Da afstanden mellem hver fiberoptisk kendes, beregnes detonationshastigheden ved at dividere afstanden mellem hver stift af tiden mellem hver spids (diholdning / tid = hastighed). Den gennemsnitlige og standardafvigelse er begge rapporteret.
- Beregn fordybningens dybde i stålet vidne pladen ved at placere en kalibreret stål bærende i dent at finde minimumsniveauet, og derefter en dybdemåler anvendes til at bestemme dybden.
2. Foto Doppler Velocimetri
- Maskine en PMMA vindue dimensioneret til diameteren af den eksplosive ladning ca. 6,5 mm tykt. Sørg for, at vinduet er optisk klar og fri for bearbejdning defekter. For at opnå dette tage en optisk klar plade af støbt acryl og bearbejdning ud skiverne ved hjælp af en laserskærer eller lignende bearbejdningsproces. Derefter anvender vandstråler for at opnå en optisk klar overflade.
- Sørg for, at aluminiumsfolie tykkelse ikke overstiger 0,005 "pr producentens specifikationer. Hvis folien overflade er uberørt (spejlende), rulle hen over overfladen med en slebet rustfri kugleleje. En diffus overflade resulterer i optimal laser back refleksion, selv når tilpasningen er lidt væk fra.
- Brug en tynd, optisk klar, akryl-baseret tape til at anbringe aluminiumsfolie til vinduet PMMA. Sørg for at der ikke er luftbobler mellem PMMA og aluminium.
- Mål eksplosive testprøve pellet diametre, længder og masser. Brug høj nøjagtighed skydelærer og balance.
- Anbringer de eksplosive test sample pellets til hinanden til dannelse af en kontinuerlig opladning, herunder eventuelle boostere (om nødvendigt). Påfør fedt på hvert enkelt eksplosivstof grænseflade under samling for at minimere luftgab på pellet grænseflader.
- Mount detonationshastighed nåle ind en acryl armatur. Disse kan være enten optiske fibre eller piezoelektriske stifter. Placeringerne af benene med hensyn til afgiften skal være kendt.
- Fastgør akryl detonationshastigheden pin holderen til opladning. Tape er tilstrækkelig til at holde stiften indehaveren akryl med anklagen. Typisk fiber / pin placeringer er nærmest bunden af eksplosive lmarge således at steady state detonation kan observeres.
- Fastgør detonator med anklagen. Vend den samlede ladning og stabilisere det i denne orientering at forberede anbringelse vinduet PMMA. Placer en lille mængde fedt på den eksplosive ansigt for at forhindre luftbobler i aluminium / eksplosive grænseflade.
- Fastgør folien side af vinduet PMMA til den eksplosive ladning. Hvis vinduet og ladning er koncentriske, bruge tape omkredsen. Hvis ikke, tape ned akse sprængladning.
- Når vinduet PMMA er sikkert fastgjort til den eksplosive ladning anbringe akryl PDV sonden holder til PMMA vindue med tape. Sæt PDV sonden i sonde holderen PDV.
- Juster PDV sonde i holderen med en back-refleksion meter. Denne enhed udsender et lavt strømforbrug laserstråle og måler back-refleksion amplitude. En back-refleksion på -10 dBm til -20 dBm er ønskelig. Epoxy PDV sonden på plads, når ryggen refleksion er blevet bestemt til at væreoptimal.
- Placer testen element i kammeret og vedhæfte både detonationshastigheden ledninger (fiber-optisk eller piezoelektrisk) og PDV fiber. Tilslut en skudlinjen til en RP-80 detonator. Luk alle nødvendige døre / porte / etc. og gennemføre område lockdown operationer pr anlæggets eksplosive test fyring SOP'er.
- Bekræft oscilloskop trigger, spænding / division, tid / division indstillinger. Bekræft PDV systemindstillinger. Overhold signal laser og reference- laser amplituder og ændre efter behov.
- Detonere elementet via høj energi fireset. Spar oscilloskop spor for både PDV data og detonation hastighedsdata.
- Analyser PDV data i relevante dataanalyse program. Den rå PDV-signalet skal behandles ved hjælp af en Fast Fourier Transform (FFT) baseret analyse pakke.
Bemærk: Ved at se på indholdet af denne rå signal frekvens, og at kende den indledende frekvens af lyskilden (1.550 nm), FFT analysepakken frembringer en hastighed spektrogram at plotsden optagne hastighed som en funktion af tiden. I dette tilfælde PlotData, en navnebeskyttet USA Department of Energy grafisk brugergrænseflade (GUI), anvendes sammen med LabView software til at udføre FFT. Der findes imidlertid mange kommercielt tilgængelige analyse pakker, der er i stand til at udføre disse opgaver. - Beregn detonationshastighed fra de fem tidspunkter erhvervet fra oscilloskopet. Da afstanden mellem hver fiberoptisk er kendt, detonationshastigheden beregnes ved at dividere afstanden mellem hver stift af tiden mellem hver top (afstand / tid = hastighed). Den gennemsnitlige og standardafvigelse er rapporteret.
Representative Results
En typisk konfiguration for PDV er vist i figur 2 og 3, mens FODV opsætningen er vist i figur 4. Ved detonation de resulterende dent plader fra traditionelle FODV skud vist i figur 5, med de position / time resultater af PAX-30 og PBXN-5 i figur 6. Begge materialer besidder lignende detonation hastigheder (hældningen af linjen), med PAX-30 ~ 0,4 mikrosekunder / mm langsommere. Mens det ikke kan synes at være en betydelig forskel, er det netop i lyset af det faktum, at PAX-30 besidder næsten 20% mindre vægt eksplosiv fyld. Detonationshastighed er ikke den afgørende test for at kvantificere aluminium reaktion i eller umiddelbart efter detonationen fronten, men det kan give en foreløbig vurdering af aluminium reaktion.
Figur 2. En typisk PDV setup. De eksplosive pellets eller støbte pinde er stablet. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. PDV setup (tæt visning). Den PDV setup på basen, hvor flyer pladen er placeret. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. FODV setup. Staven er epoxied på stål vidne plade for at sikre en solid kontakt og opretstående stilling under opsætningen. Detonatoren og booster er øverst af stokken. = "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig4large.jpg" target = "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. Dent fra FODV test. Den dent måles med en kalibreret dybdemåler eller en profilometer. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6. Detonation sats beregninger. Hvert datapunkt er fra fiberoptiske stifter i FODV setup. PAX-30 R 2 = 0,999717, RMSE (root mean square error) = 0,519693; PBXN-5 R 2 = 0,998778, RMSE = 1,342272.about / filer / ftp_upload / 52.950 / 52950fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.
| Eksplosiv | n | Detonationshastighed (mm / psek) | CJ Pressure (GPa, Plate bule) | 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 |
Tabel 1. Ydelse data fra forsøg. N er det samlede antal prøver, hver med 5 fiberoptiske ben. Den PDV CJ Pressure består af kun én test.
Det output fra PDV spor af flyer plade fra bunden af den eksplosive ladning af figurerne 2-3 er vist i figur 7. Svingningerne skyldes ringen i pladen fra den hurtige acceleration til næsten 4-5 km / sek. Den CJ pres beregnes ud fra modellering af produktet gas Hugoniot med Coopers tilnærmelse, 6 og derefter ekstrapolere CJ punkt, når aluminium-eksplosive Hugoniot matches. En typisk skærm print fra sådan beregning er vist i figur 8. Teknikken stadig visse begrænsninger, idet beregningerne antages en lineær acceleration ekstrapolation fra begyndelsen af flyer hastighed. Dette resulterer i lidt undervurderer tryk, som fremgår af resultaterne (tabel 1). Der arbejdes på at udvikle nye ligninger til at passe den tidlige acceleration af flyer plade.
upload / 52.950 / 52950fig7.jpg "/>
Figur 7. Plade hastighed som funktion af tid til måling af CJ tryk i PBXN-5 eksplosiv. Bemærk den fremragende aftale mellem to forskellige skud, hvor sporene næsten falder på hinanden. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 8. Beregning af CJ pres fra kobber flyer plade data på PDV eksperimentet. Bemærk, at ekstrapolation antager en lineær acceleration i den indledende tryk på flyer plade, som i øjeblikket fører til en undervurdering af CJ tryk. Klik her for at se en større version af dette tal. </ A>
Figur 9. afbildning af ekspansion isentropes for omsat og uomsat aluminium i detonation produkter. De blå lige linjer er tangenten løsninger, som er proportional med detonationshastigheden. Bemærk den reagerede Al produkter løsning tvinge detonationshastigheden at være lavere end den ikke-reagerede Al løsning. Klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
Bemærk de beregnede trykforskelle mellem de to eksplosive formuleringer. De aluminiseret eksplosive udviser mindre tryk, delvist på grund af mindre nitramine (HMX) lastning, men også fordi aluminium reagerer med oxygen i de ekspanderende detonation gasser, hvilket resulterer i en mindre bule fra en nedre detonation tryk. Den PBXN-5 udøver en højere detonation pres på grund af sin højere indhold gas ved detonation i forhold til PAX-30 (36,2 mol / kg for PBXN-5 versus 33,1 mol / kg for PAX-30). Mere avancerede ligninger tilstand (EOS) afledt fra væg hastighedsmålinger bruges til at beskrive vilkårene for de eksplosive produkter til sådanne ekstreme temperaturer og tryk. 10,11 Dette vil være genstand for fremtidige manuskripter.
Det var tydeligt, at når tidlig reaktion af et metal i en eksplosiv opstår, den detekterede detonationshastighed er lavere, end hvis metallet ikke reagerer. Dette er noget ulogisk; enville forvente hastigheden at stige, hvis flere energi indskud i den ekspanderende detonation foran grundet exoterm reaktion af aluminium. Faldet i detonationshastighed skyldes løsninger på tryk-density Hugoniots. Det specifikke volumen (invers tæthed) Trykkamre isentrope betegner ændringer i som produkter fra detonationen udvide (fra venstre til højre i figur 9). 6. Udvidelsen isentrope repræsenterer de detonation produkter, der termodynamisk kan danne og udvide langs pres-specifikke kurve volumen . Under ekspansion, hvis aluminium reagerer til dannelse oxiderede arter, resulterer det i et samlet fald i densitet af gas og fører til en lavere hastighed. Dette kommer til udtryk i en udvidelse isentrope under opløsningen i den ikke-reaktive aluminium (figur 9). Da detonationshastigheden er tangenten skærer isentrope fra start tæthed på x-aksen, er det tydeligt, at detonationen velocity skal falde, når den aluminium i formuleringen reagerer.
Sammenfattende det amerikanske forsvarsministerium fortsætter til aktivt at fortsætte anvendt forskning og karakterisering af nye energiske materialer med både traditionelle og nye teknologier. I tilfældet med PDV, er det et værdifuldt værktøj, der kendetegner sprængstoffer med ekstrem nøjagtighed og giver forskerne med værdifuld indsigt i den eksplosive effektivitet. Denne hurtige test cyklus i høj grad reducerer omkostningerne og den nødvendige tid til formulering optimering og krav verifikation.
Disclosures
DISTRIBUTION A: Godkendt til offentlig udgivelse; fordeling er ubegrænset. Forfatterne har intet at afsløre.
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
Engineering sprængstoffer detonation Testing Fiber-optisk Foto Doppler VelocimetriErratum
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.
