ERRATUM NOTICE
Important: There has been an erratum issued for this article. Read more …
Abstract
Utviklings testing av høyeksplosiver for militære anvendelser innebærer småskala formulering, sikkerhet testing, og til slutt detonasjon ytelsestester for å verifisere teoretiske beregninger. småskala For nyutviklede formuleringene, begynner prosessen med småskala mikser, termisk testing, og påvirkning og friksjon følsomhet. Bare da gjøre påfølgende større skala formuleringer fortsette til detonasjon testing, noe som vil bli dekket i denne artikkelen. Nylige fremskritt innen karakterisering teknikker har ført til enestående presisjon i karakterisering av tidlig tidsutviklingen av detonasjoner. Den nye teknikk for bilde-Doppler velocimetry (PDV) for måling av detonasjon trykk og hastighet blir delt og sammenlignet med tradisjonell fiberoptisk detonasjonshastighet og plate-dent beregning av detonasjon trykk. Spesielt vil rollen til aluminium i eksplosive formuleringer bli diskutert. Nyere utviklinger har ført til utvikling av eksplosiv formulations som fører til reaksjon av aluminium svært tidlig detonasjon produktet ekspansjon. Denne forbedrede reaksjon fører til endringer i detonasjonshastigheten og trykk på grunn av reaksjonen av aluminium med oksygen i de ekspanderende gassprodukter.
Introduction
Utvikling av høyeksplosiver til militær bruk innebærer omfattende sikkerhetsmessige hensyn og ressursbegrensninger som følge av testanlegg krav. I US Army Armament Research and Development and Engineering Kommando (ardec), Picatinny Arsenal, er sprengstoff evaluert fra forskningen nivå gjennom hele livssyklusen overvåking og demilitarisering. Nye eksplosiver som er tryggere for håndtering, lagring og lasting er kontinuerlig evaluert i et forsøk på å gi effektive og trygge ammunisjon for Warfighter. Nyere lov tilsier at når det er mulig, Insensitive krigsmateriell- (IM) retningslinjer og krav blir fulgt. Derfor, når nye eksplosiver syntetiseres og formulert, er ytelsestesting av vesentlig betydning for å sikre at de oppfyller brukerens behov. I denne sammenheng, blir målingen av detoneringsegenskaper av nyutviklet PAX-30 sammenlignet med PBXN-5, et tradisjonelt sprengstoff med høy ytelse. Spesielt måling av dens detonasjon velobyen og detonasjon press, noe som er viktig for verifisering av teoretiske modeller og ytelsesberegninger, er delt. PAX-30 ble utviklet for å erstatte eldre eksplosiver som PBXN-5 ved hjelp av reaktivt aluminium.
Aluminium besitter en høy entalpi av oksidering som aluminium på en per molar basis:
2Al + 3/2 O 2 -> Al 2 O 3 (1670 kJ / mol)
Ved å legge aluminium i stedet for de sjokk følsomme eksplosive ingredienser, er formuleringen gjengis mer trygt å ytre sjokk og fare fornærmelser. Dette bidrar effektivt oppfylle Insensitive Munition (IM) United Nation krav, mens på samme tid opprettholde ytelsen nødvendig for militære applikasjoner. 2,3.4
Fasilitetene å teste slike elementer er unike og svært spesialiserte. Noen innledende tester utføres for å skjerme eksplosiver før håndtering i store mengder. These testene inkluderer termisk karakteristikk med differensiell scanning kalorimetri (DSC) og støt og friksjon tester. For DSC-testene, blir en liten testprøve oppvarmet ved en konstant hastighet i en inert atmosfære, og mengden og retningen av varmestrømmen overvåkes. For slag og friksjon tester, prøven utsatt for fornærmelser fra en standardisert fallende vekt (Bundes pels Materialprufung, eller BAM Impact), og for friksjon test en standardisert keramisk pin og plate (Bundes pels Materialprufung, eller BAM Friksjon). 5
Når formuleringene er ansett som trygge for håndtering, er videre oppskalering oppnås ved proprietære blandeteknologi. Kort sagt, høyeksplosiver faller i tre kategorier:
Smeltestøpt, i hvilken bindemidlet er en smeltefasemateriale som en voks, trinitrotoluen (TNT), dintroanisole (DNAN), eller et annet smeltbart materiale. Energisk eller drivstoff faste stoffer kan inkorporeres med nøye vurdering av pålydendespon størrelse og kompatibilitet.
Cast-kur, hvor bindemidlet er en støpbar polymer, slik som hydroksyl-terminert polybutadien (HTPB), polyakrylat, eller andre epoxy-type plast som er flytende i sitt ureagert tilstand, men ved start stivner til et fast stoff. Faststoffer er innarbeidet i matriksen i løpet av sin flytende tilstand.
Trykket, i hvilken faste stoffer er meget høy, ofte nærmer seg nesten 95 vekt-%, med et bindemiddel som tilsettes for å belegge de faste stoffene ved hjelp av en lakk eller ekstruderingsprosess.
Når presset eller støpt, blir materialet bearbeides ved bruk av standard metoder for å oppnå riktig geometri for en ønsket test. I denne utredningen, PAX-30 og PBXN-5 er høy ytelse trykket eksplosiver. Formuleringene er gjort gjennom en slurry-belegg prosess, hvor energisk nitramin krystaller (HMX, RDX, eller CL-20) og aluminiumpartikler suspenderes i en vandig oppløsning. En lakk med den proprietære bindemiddel is deretter tilsatt. Ved lakk tillegg polymer strøk de eksplosive krystaller, ble suspensjonen oppvarmet under vakuum for å avdrive oppløsningsmidlet, og partiklene blir så filtrert og tørket. Granulatet lignende partikler blir deretter presset til den ønskede form.
detonasjon Velocity
For å bestemme den detonasjonshastigheten, må man overvåke ankomsten av den fremre detonasjon i materialet. En detonasjon er definert som et selvbærende momentan økning i trykk og temperatur som er raskere enn lydhastigheten i materialet. Det blir selvbærende når temperaturen og trykket er tilstrekkelig til å gi eksoterme reaksjoner bak forplanter reaksjonsfronten. En slik oppførsel er realisert ved inkorporering av oksyderende grupper, såsom nitratgrupper i visse materialer i formasjonen. To eksempler er kjent som RDX (cyklo-1,3,5-trimetylen-2,4,6-trinitramine) og HMX (cyklotetrametylentetranitramin) er vist in Figur 1, som i det store og er de mest brukte energiske materialer i USA DoD (Department of Defense). Legg merke til at oksygenbalansen av molekylene, noe som resulterer i selvpropagerende eksoterm reaksjon bak støt foran.
Figur 1. RDX (cyclo-1,3,5-trim-2,4,6-trinitramine, venstre) og HMX (cyklotetrametylentetranitramin, høyre). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
En måte for å bestemme hastigheten til detonasjon foran er å overvåke dens posisjon som en funksjon av tid. Fiberoptisk detonasjonshastighet (FODV) testing utføres for å bestemme den detonasjonshastigheten av et eksplosivt materiale. En akryl ligaen er designet for å holde den eksplosive prøven, og finn den optiskefiber på kjente avstander ned avgiften lengde. Standardtesten anvender en 5-tommer lang med 0,75-tommers diameter eksplosiv prøven med fem totale optiske fibre; den nederste fiber befinner 0,50 tommer fra bunnen av ladningen, og hver påfølgende fiber ligger en-tommers over den neste. Hullene er boret i den akryl fiksturen er to-trinn hull. Diameteren hull større er dimensjonert til å passe inn i kjernen og kledningen av den optiske fiber, og diameteren er mindre hull fungerer som et trangt luftrom. Som detonasjonen skrider frem gjennom sprengstoffet prøven, vil sjokkbølgen produsert eksiterer lukkede luftrom fremstilling av et kort, lys flash som kan observeres med det fiberoptikk.
Fiberoptikk som benyttes for denne testen har et billig plastkjerne. På grunn av den destruktive av testen og konsistensen av luft sjokk, ble høyere kvalitet fibre ikke funnet å være nødvendig for å opprettholde høy kvalitet på hastighetsdata. Testanlegget på Picatinny Arsenalbruker summerte fotodioder for å oversette lyset fra detonasjonen til spenning. Amplituden av spenningen pigg er uviktig for formålene i denne testen. En 1-GHz oscilloskop er koblet til fotodioden summeringsboksen, selv om det samplingsfrekvensen er langt utover det som er nødvendig for denne testen. De fiberoptiske "topper" kan enten bestemmes ved første økningen av signal eller toppverdier. Gitt avstanden mellom optiske fibre og tidsforskjellen mellom ankomst detonering, blir detonasjonshastighet deretter bestemt.
detonasjon Trykk
Detonasjon trykk beregnes ved å måle bulk dybde i en standard stålplate resulterende fra det eksplosive s detonasjon. Dent dybder er godt korrelert til kjente trykkverdier for en rekke eksplosive blandinger. Vanligvis, siden de fleste eksplosiver tilfreds Chapman-Jouguet (CJ) betingelse for en detonasjon skal skje, detoneringen trykket er vanligvis referert tilsom CJ trykk, og det vil være fra dette punkt fremover i denne artikkelen. Ladningen sammenstillingen blir plassert på toppen av en stålplate, som kalles en "vitneplate av", og den detonasjonsresultater i en fordypning i platen. Den bulk dybde på standard 0,75-tommers diameter charge for en rekke eksplosive materialer med kjente detonasjon trykk blir så sammenlignet med test bulk dybde. Detonasjon trykk av platen bulk er en pålitelig metode med mange års dokumentert data for akseptable korrelasjoner. Imidlertid er en detonasjon et dynamisk, hurtig kjemisk reaksjon, og i de senere år er det blitt ønskelig å anvende verktøy med høyere oppløsning for å observere trykktidshistorien.
For direkte å måle trykket detonasjon av et sprengstoff, kan Photonic dopplervelosimetri (PDV) også anvendes. Denne laser interferometer systemet ble utviklet av Lawrence Livermore National Laboratory og utnytter en 1550 nm CW laser kilde. Ved å rette laseren på et bevegelig mål end oppsamling av Doppler-skiftet lys blir den resulterende tone frekvens kan bli analysert for å tilveiebringe en hastighet spor av målet. I motsetning til tradisjonelle høyhastighetsfotografiske teknikker, disse hastighets-traser gir en kontinuerlig registrering av målets hastighet som en funksjon av tid. Denne målingen teknikken har fått betydelig oppmerksomhet i de siste årene og er blitt allestedsnærværende i DoD og Department of Energy (DoE) eksplosive karakterisering laboratorier.
For å kunne beregne CJ trykket av en ny eksplosiv, kan et PDV-system kan brukes til å måle partikkelhastigheten mellom sprengstoffet og en polymetylmetakrylat (PMMA) vindu. En meget tynn folie, vanligvis aluminium eller kobber, er plassert i dette grensesnittet til å virke som en reflekterende overflate. I disse studiene ble kobber brukt. Denne folie må være tynn nok til å hindre betydelig sjokkbølge dempning mens den er tykk nok til å hindre detonasjon lys fra å passere gjennom. Vanligvis er en folie tykkelse1000 Ångstrøm er ideell for de fleste forsøksoppsett. Gitt partikkelhastigheten i den PMMA og detonasjonshastigheten for eksplosivet, kan detonasjonen trykket beregnes med Hugoniot sjokk samsvarende ligninger. 6
Mens FODV test på 0,75 "lade diameter er en etablert standard på ardec er PDV-baserte tester kontinuerlig gjennomgår raffinement. Avhengig av den eksplosive formulering, kan enten en eller begge tester kan brukes for å karakterisere detonasjonshastighet og detonasjon trykk.
Protocol
FORSIKTIGHET! Prosessering, håndtering, og testing av høyeksplosiver (Hazard Division Class 1 materiale) bør kun utføres av opplært og kvalifisert personell. Høyeksplosiver er følsomme for støt, friksjon, elektrostatisk utladning, og sjokk. Bruk bare godkjente forsknings- og utviklingstjenester som kan håndtere store mengder Class 1 materiale.
1. ardec Fiberoptisk detonasjon Test
- Skjær optisk fiber til lengde ved hjelp av fiberoptiske kuttere og pakke i sett med fem kabler. Basert på stedsspesifikke testkammer geometrier, er 15 meter lange vanligvis brukes. Strimmel kabelkappen materiale rygg 15 mm på den ene ende av bunten og 5 mm på den andre ende av bunten. Polere kuttet endene av fiberoptikk med P800 sandpapir for å fjerne eventuelle grader.
Merk: På grunn av den destruktive av denne testen, er plast optisk fiber foretrukket. Optisk fiber egenskaper er som følger; Polymetylmetakrylat Resin(PMMA) kjernemateriale (980 um diameter), fluor Polymer kledningsmateriale (1000 um diameter), 1,49 kjernens brytningsindeks, 0,5 numerisk apertur. - Mål prøven og sammensetning A-3 Type II booster pellets diametre, lengder, og massene ved hjelp av en høy nøyaktighet caliper og balanse.
Merk: Når den typiske testen bruker 1,905 cm diameter og 2,54 cm lengde pellets, kan testprosedyren kan brukes sammen med hvilken som helst størrelse pellet forutsatt at plastfestet holder den fiberoptiske kabel sentrert på hver pellet. For testene i denne studien, ble 1.905 cm diameter pellets anvendes. - Last inn eksplosive pellets, én etter én, inn i plast ligaen ved å utvide rørets indre diameter via nysgjerrige sporet åpen. Rekord eksplosive pellets tall og steder i ligaen. Deretter legger du booster pellet inn i røret fra toppen av ligaen.
- Plasser akryl detonator holder på toppen av booster pellet.
Merk: RP-502 Exploding Bridgewire detonatorer(EBWs) blir typisk anvendt. Andre detonatorer kan være substituert, men re-kalibrering av test ville være nødvendig. - Sett de kortere eksponerte ender (5 mm) av de optiske fibre inn i de to avtrappede hull i detonasjonshastigheten test-festeorganet.
Merk: De to-trinns hull at det er nok luft for ionisering ved passering av detonasjon foran som fører til et sterkt signal. Hullene for festeanordningen bør ha en 0,021-tommers diameter av 0,020 lengde indre hull mot sprengstoffet og en 0,042-tommers diameter hull for innsetting av den fiberoptiske. Dersom det benyttes plastfibre, kan lett sliping av den ytre diameter av den optiske fiber være nødvendig avhengig av både fiberdiameter og test-festetoleranser. Sikre at den optiske fiberen er satt helt inn (sittende på trinn i to-trinn hull). - Lim / Epoxy fibrene på plass. Bruk 5 min epoxy for denne protokollen.
- Når epoxy holder fibrene i er fullstendig herdet, plasser akrylic rør inneholdende de eksplosive pellets på toppen av vitneplate av stål. Fest tekst ligaen til stålplaten med enten en vekt på toppen av den eller tape. Sikre at det ikke er en luftspalte mellom bunnflaten av den siste eksplosiv pellet og den vitneplate av stål.
- Epoxy 360 ° rundt testen ligaen, man følger den til vitnet plate. Etter at epoxy er fullstendig herdet, legg detonator i detonatoren holderen som er på toppen av testen ligaen og sikre det på plass med tape.
- Transportere test-festeorganet til testkammeret, og sett lengre eksponerte ender (15 mm) av de optiske fibre til fotodioden summere boksen. Koble fotodioden summere boksen, eller annen datainnsamling metoden, eventuelt til et oscilloskop (1 GHz båndbredde er mer enn nok).
- Koble en standplass til RP-80 detonator. Lukk alle nødvendige dører / porter / etc. og gjennomføre området låsing operasjoner per innretning eksplosive test avfyring (standard driftsprosedyrer) SOP.
- Bekreft oscilloskop trigger, spenning / divisjon, tid / divisjon innstillinger. Koble avtrekkeren ut fra den høyspente fireset med en triggerterskel på 3,0 V til en kanal på oscilloskop. Koble fotodioden summere boksen til en annen kanal på oscilloskop. Sett begge kanaler til 5 V / divisjon og tidsbase til 5 usekunder / divisjon, med en forsinkelse innstilling av -20 usekunder.
- Detonere elementet via høy energi fireset.
- Mål toppene som tilsvarer tiden fra utgangen fra fotodioden summeringsboksen. Fra oscilloskop skjermen spor, bruker peak spenning for å avgjøre bestemte tider, selv om første økningen kan være en bedre indikator avhengig av utstyret som brukes.
- Beregn detonasjonshastighet fra de fem tidspunkter kjøpt fra oscilloskop. Siden avstanden mellom hver enkelt fiberoptisk er kjent, beregnes detonasjonshastighet ved å dividere avstanden mellom hver tapp av tiden mellom hver topp (diholdning / tid = hastighet). Den gjennomsnitt og standardavvik er begge rapportert.
- Beregn dybden av bulk i vitneplate av stål ved å anbringe en kalibrert stållager i bulk for å finne minimumsnivå, og deretter en dybdemåler brukes for å bestemme dybden.
2. Foto dopplervelosimetri
- Maskinen en PMMA vindu dimensjonert til diameteren av den eksplosive ladning omtrent 6,5 mm tykk. Sørg for at vinduet er optisk klar og fri for maskinering defekter. For å oppnå dette ta en optisk klar ark med støpt akryl og maskinering ut diskene ved hjelp av en laser cutter eller lignende bearbeiding prosessen. Deretter benytter vannstråler for å oppnå en optisk klar overflate.
- Kontroller at aluminiumsfolie tykkelse ikke overstiger 0.005 "i henhold til produsentens spesifikasjoner. Hvis folien overflaten er perfekt (speil), rulle over overflaten med en slipt rustfritt stål kulelager. En diffus overflate gir optimal laser back refleksjon, selv når justeringen er litt utenfor.
- Bruke et tynt, optisk klart, akrylbasert klebebånd for å feste folien til PMMA vinduet. Pass på at det ikke er luftbobler mellom PMMA og aluminium.
- Måle de eksplosive prøven pellets diametre, lengder, og massene. Bruk høy nøyaktighet calipers og balanse.
- Påføre de eksplosive testprøve pellets av hverandre for å danne en kontinuerlig ladning, inkludert eventuelle boostere (om nødvendig). Påfør fett på hver eksplosiv grensesnitt under montering for å redusere luftspalter på pellets grensesnitt.
- Mount detonasjonshastighet nåler inn en akryl ligaen. Disse kan enten være optiske fibre eller piezoelektriske nålene. Lokaliseringen av pinnene i forhold til kostnad må være kjent.
- Fest akryl detonasjonshastigheten pinneholderen til tiltalen. Tape er tilstrekkelig til å holde akryl pinneholderen til tiltalen. Vanligvis blir fiber / pin steder er nærmest bunnen av den eksplosive charge slik at steady state detonasjon kan observeres.
- Fest detonator til tiltalen. Snu den monterte ladning og stabilisere det i denne retningen for å forberede for festing av PMMA vinduet. Plassere en liten mengde av fett i den eksplosive ansikt for å hindre luftbobler i systemet aluminium / eksplosiv grensesnitt.
- Påføre folien siden av PMMA-vinduet til den eksplosive ladning. Hvis vinduet og kostnad er konsentriske, bruke tape rundt omkretsen. Hvis ikke, tape nedover langs aksen av sprengladningen.
- Når PMMA vinduet er godt festet til sprengladning, påføre akryl PDV probeholder til PMMA vindu med tape. Sett PDV sonde inn i PDV probeholder.
- Juster PDV sonde i holderen med en back-refleksjon meter. Denne enheten utganger en lav effekt laserstråle og måler back-refleksjon amplitude. En back-refleksjon av -10 dBm til -20 dBm er ønskelig. Epoxy PDV proben på plass når ryggen refleksjon har vært fast bestemt på å væreoptimal.
- Plasser test element i kammeret og festes både detonasjonshastigheten ledninger (fiberoptisk eller piezoelektrisk) og PDV fiber. Koble en standplass til en RP-80 detonator. Lukk alle nødvendige dører / porter / etc. og gjennomføre område låsing operasjoner per anleggets eksplosive test avfyring SOP.
- Bekreft oscilloskop trigger, spenning / divisjon, tid / divisjon innstillinger. Bekreft systeminnstillinger PDV. Observer signal laser og referanselaser amplituder og endre etter behov.
- Detonere elementet via høy energi fireset. Spar oscilloskop spor for både PDV data og detonasjon hastighetsdata.
- Analyser PDV data i relevante dataanalyse program. Den rå PDV-signalet må behandles ved hjelp av en Fast Fourier Transform (FFT) basert analysepakke.
Bemerk: Ved å se på frekvensinnholdet i denne rå signal, og vel vitende om den første frekvens av lyskilden (1550 nm), produserer den FFT analysepakke en hastighet spektrogram som plottden registrerte hastighet som en funksjon av tid. I dette tilfelle PlotData, en proprietær United States Department of Energy grafisk brukergrensesnitt (GUI), blir brukt i forbindelse med LabView programvare for å utføre FFT. Men mange kommersielt tilgjengelige analyse pakker eksistere som er i stand til å utføre disse oppgavene. - Beregn detonasjonshastighet fra de fem tidspunkter kjøpt fra oscilloskop. Siden avstanden mellom hver enkelt fiberoptisk er kjent, er detonasjonshastigheten beregnet ved å dividere avstanden mellom hver tapp av tiden mellom hver topp (avstand / tid = hastighet). Den gjennomsnitt og standardavvik er rapportert.
Representative Results
Et typisk oppsett for PDV er vist i figurene 2 og 3, mens den FODV oppsettet er vist i figur 4. Ved detonering, er de resulterende bulk platene fra tradisjonelle FODV skudd vist på figur 5, med den posisjon / tid resultatene av PAX-30 og PBXN-5 i figur 6. Begge materialer har lignende detonasjonshastigheter (skråningen av linjen), med PAX-30 ~ 0.4 usek / mm langsommere. Selv om det ikke kan synes å være en betydelig forskjell, er det faktisk i lys av det faktum at PAX-30 besitter nesten 20% mindre vekt eksplosiv fylle. Detonasjonshastighet er ikke det avgjørende test for å kvantifisere aluminium reaksjonen i eller umiddelbart etter detonasjon foran, men det kan gi en foreløpig vurdering av aluminium reaksjon.
Figur 2. En typisk PDV oppsett. De eksplosive pellets eller støpt pinner er stablet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. PDV oppsett (close view). PDV oppsett på basen der flyer Platen er plassert. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. FODV oppsett. Pinnen er epoksylimes på vitneplate av stål for å sikre en god kontakt og oppreist holdning under installasjonen. Detonatoren og booster er på toppen av pinnen. = "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig4large.jpg" target = "_ blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. Dent fra FODV testen. Bulk måles med en kalibrert dybdemåler eller en profilometer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Smell rente beregninger Figur 6.. Hvert datapunkt er fra de fiberoptiske pinnene i FODV oppsett. PAX-30 R 2 = 0,999717, RMSE (root mean square error) = 0,519693; PBXN-5 R 2 = 0,998778, RMSE = 1,342272.om / filer / ftp_upload / 52950 / 52950fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Eksplosiv | n | Detonasjon Velocity (mm / usekunder) | CJ Trykk (GPa, Plate bulk) | CJ Trykk (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. Ytelsesdata fra forsøk. N er totalt antall tester, hver med 5 fiberoptisk nålene. PDV CJ Trykk består av en test bare.
De Utgangen fra PDV spor av flyer platen fra bunnen av den eksplosive ladning i figurene 2-3 er vist i figur 7. Svingningene oppstår fra ringing i platen fra den raske akselerasjon til nesten 4-5 km / sek. CJ trykket beregnes fra modellering produktgassen Hugoniot med Coopers tilnærming, 6 og deretter ekstrapolere CJ punktet når aluminium-eksplosive Hugoniot er matchet. En typisk silketrykk fra en slik beregning er vist i Figur 8. Teknikken har fortsatt noen begrensninger siden beregningene forutsetter en lineær akselerasjon ekstrapolering fra begynnelsen av flyer hastighet. Dette resulterer i litt underslår press, noe som gjenspeiles av resultatene (tabell 1). Det arbeides med å utvikle nye ligninger for å passe tidlig akselerasjon av flyer plate.
laste opp / 52950 / 52950fig7.jpg "/>
Figur 7. Plate hastighet som funksjon av tid for måling av CJ trykk i PBXN-5 eksplosiv. Legg merke til utmerket avtale mellom to forskjellige bilder, der sporene etter nesten faller på hverandre. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8. Beregning av CJ press fra kobber flyer plate data på PDV eksperiment. Merk at ekstrapolering forutsetter en lineær akselerasjon i den innledende trykk på flyer plate som i dag fører til en undervurdering av CJ trykk. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. </ A>
Figur 9. Visning av ekspansjons isentropes for reagert og ureagert aluminium i detonasjon produkter. De blå rette linjer er de tangent løsninger som er proporsjonal med detonasjonshastigheten. Legg merke til den reagerte Al produkter løsningen tvinge detonasjonshastigheten til å være lavere enn ureagert Al løsning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Discussion
Legg merke til de beregnede trykkforskjeller mellom de to eksplosive formuleringer. De aluminisert eksplosive har lav trykk, delvis på grunn av mindre nitramin (HMX) lasting, men også fordi aluminium reagerer med oksygen i de ekspanderende detonasjon gassene, noe som resulterer i en mindre bulk fra en lavere detonasjon trykk. Den PBXN-fem utøver et høyere detonasjon press på grunn av sin høyere gassinnhold ved detonasjon i forhold til PAX-30 (36,2 mol / kg for PBXN-5 versus 33,1 mol / kg for PAX-30). Mer avanserte ligninger av staten (EOS) avledet fra veggen hastighetsmålinger brukes til å beskrive forholdene i eksplosive produkter til slike ekstreme temperaturer og trykk. 10,11 Dette vil bli gjenstand for fremtidige manuskripter.
Det var tydelig at når tidlig reaksjon av et metall i en eksplosiv inntreffer, er det oppdaget at detonasjonshastigheten lavere enn hvis metallet ikke reagerer. Dette er noe motstridende; enforventer hastigheten øke hvis flere energiforekomster i det ekspanderende detonasjon foran grunnet eksoterm reaksjon av aluminium. Nedgangen i detonasjonshastighet oppstår fra løsninger på de trykk-tetthet Hugoniots. Det spesifikke volum (invers tetthet) trykk som isentrope betegner endringer som produkt fra detonasjon ekspandere (fra venstre mot høyre i figur 9). 6. Utvidelsen isentrope representerer de detonasjon produkter som kan danne termodynamisk og utvide langs den trykk spesifikt volum kurve . I løpet av ekspansjonen, hvis aluminiumet reagerer under dannelse av oksyderte art, resulterer det i en generell reduksjon i tettheten av gass og fører til en lavere hastighet. Dette er manifestert i en ekspansjons isentrope under oppløsningen for den ikke-reaktive aluminium (figur 9). Siden detonasjonshastigheten er tangentlinjen som skjærer den isentrope fra starttetthet på x-aksen, er det tydelig detonasjonen velocity skal avta når aluminium i formuleringen reagerer.
I sammendraget, United States Department of Defense fortsetter å aktivt forfølge anvendt forskning og karakterisering av nye energiske materialer med både tradisjonelle og nye teknologier. I tilfelle av PDV, er det et verdifullt verktøy som karakteriserer sprengstoff med ekstrem nøyaktighet og gir forskerne med verdifull innsikt i sprengstoffet effektivitet. Denne raske testsyklus reduseres sterkt kostnaden og tiden som er nødvendig for formulering optimalisering og krav verifisering.
Disclosures
DISTRIBUTION A: Godkjent for offentlig utgivelse; fordeling er ubegrenset. Forfatterne har ikke noe å avsløre.
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 Eksplosiver Smell Testing Fiberoptisk Bilde dopplervelosimetriErratum
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.
