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Abstract
Essais de développement d'explosifs pour des applications militaires implique formulation à petite échelle, les tests de sécurité et, enfin, les tests de performance de détonation à vérifier les calculs théoriques. à petite échelle Pour les formulations nouvellement développés, le processus commence avec des mélanges à petite échelle, des essais thermiques, et de l'impact et de la sensibilité de friction. Alors seulement ultérieures grandes formulations échelle procèdent à des tests de détonation, qui sera couvert dans le présent document. Les progrès récents dans les techniques de caractérisation ont conduit à une précision inégalée dans la caractérisation de l'évolution précoce moment de détonations. La nouvelle technique de photo-vélocimétrie Doppler (PDV) pour la mesure de la pression et de la vitesse de détonation sera partagé et comparé avec le calcul de la vitesse de détonation fibre optique et la plaque-dent traditionnel de pression de détonation. En particulier, le rôle de l'aluminium dans les formulations explosives sera discutée. Les développements récents ont conduit à l'élaboration de f explosiveormulations qui donnent lieu à la réaction de l'aluminium au tout début de l'expansion des produits de détonation. Cette réaction conduit à une meilleure évolution de la vitesse et de la pression due à la détonation réaction de l'aluminium avec de l'oxygène dans les produits de gaz en expansion.
Introduction
Développement d'explosifs à usage militaire implique de nombreuses considérations de sécurité et des ressources limitées en raison des exigences de l'installation d'essai. A la recherche de l'armée américaine en matière d'armement et le développement et Engineering Command (ARDEC), Picatinny Arsenal, explosifs sont évalués par rapport au niveau de la recherche grâce à la surveillance du cycle de vie complet et la démilitarisation. Nouveaux explosifs qui sont plus sûres pour la manipulation, le stockage et le chargement sont évaluées de façon continue dans le but de fournir des munitions efficaces et sûrs pour le combattant. récente loi exige que chaque fois que possible, munitions à risques atténués (IM) des lignes directrices et les exigences sont respectées. Par conséquent, chaque fois que de nouveaux explosifs sont synthétisés et formulés, les tests de performance est primordiale pour assurer qu'ils répondent aux besoins des utilisateurs. Dans ce contexte, la mesure des propriétés de détonation PAX-30 nouvellement développé est comparée à la PBXN-5, un explosif à haute performance traditionnelle. En particulier, la mesure de son velo de détonationville et la détonation pression, qui sont importants pour la vérification des modèles théoriques et les calculs de performance, est partagée. Le PAX-30 a été développé pour remplacer explosifs existants tels que PBXN-5 en utilisant aluminium réactif.
Aluminium possède une enthalpie d'oxydation élevé que l'aluminium sur une base molaire:
2Al + 2/3 O 2 -> Al 2 O 3 (1670 kJ / mole)
En ajoutant l'aluminium à la place des chocs ingrédients sensibles explosifs, la formulation est rendu plus sûr de choc et de danger insultes externes. Cela permet de remplir efficacement Insensible Munition (IM) les exigences des Nations Unies, tout en maintenant en même temps les performances nécessaires pour des applications militaires 2,3.4.
Les installations pour tester ces objets sont uniques et hautement spécialisé. Certains tests initiaux sont effectués pour dépister explosifs avant de manipuler de grandes quantités. Tes essais comprennent la caractérisation thermique avec calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et essais de choc et de frottement. Pour les tests de DSC, un petit échantillon d'essai est chauffé à une vitesse constante dans une atmosphère inerte, et la quantité et la direction du flux de chaleur est surveillé. Pour les essais de choc et de frottement, l'échantillon est soumis à des insultes d'une masse tombante normalisé (Bundesanstalt fur Materialprüfung ou BAM Impact), et pour l'essai de frottement, une broche en céramique standardisée et la plaque (Bundesanstalt fur Materialprüfung ou de frottement BAM). 5
Une fois que les formulations sont considérés comme sûrs pour la manipulation, en outre mise à l'échelle est réalisée par les technologies de mixage exclusives. En bref, explosifs se répartissent en trois catégories:
Fondre sous pression, dans lequel le liant est un matériau en phase fondue comme une cire, de trinitrotoluène (TNT), dintroanisole (DNAN), ou d'un autre matériau fusible. solides énergétiques ou de carburant peuvent être incorporés à un examen attentif de la valeur nominaletaille de ticle et la compatibilité.
Cast-traitement, dans lequel le liant est un polymère pouvant être coulé, tel que le polybutadiène à terminaison hydroxyle (HTPB), un polyacrylate, ou d'un autre type de plastique époxy qui est liquide à l'état non réagi, mais lors de l'initiation se solidifie en un solide. Les solides sont incorporés dans la matrice au cours de son état liquide.
Enfoncée, dans laquelle la charge de solides est très élevé, se rapprochant souvent près de 95% en poids, d'un liant qui est ajouté pour revêtir les matières solides en utilisant un procédé d'extrusion ou de laque.
Une fois pressé ou moulé, les matériaux sont usinés en utilisant des méthodologies standard pour obtenir la géométrie appropriée pour un test désiré. Dans cet article, PAX-30 et PBXN-5 sont de haute performance pressé explosifs. Les formulations sont fabriquées par un procédé de revêtement par suspension, dans lequel les particules de cristaux de nitramine énergiques (HMX, RDX ou CL-20) et de l'aluminium sont mis en suspension dans une solution aqueuse. Une laque avec le liant exclusif is ensuite ajoutés. Lors de l'addition de laque, les couches de polymère de cristaux d'explosifs, la suspension est chauffée sous vide pour chasser le solvant, et les particules sont ensuite filtrées et séchées. Les particules de granulés en forme sont ensuite pressées dans la configuration souhaitée.
détonation Velocity
Afin de déterminer la vitesse de détonation, il faut surveiller l'arrivée du front de détonation dans le matériau. Une explosion est définie comme une augmentation instantanée autonome de la pression et de la température qui est supérieure à la vitesse du son dans le matériau. Il devient autonome une fois que la température et la pression sont suffisantes pour fournir des réactions exothermiques derrière le front de réaction de multiplication. Un tel comportement est réalisé en incorporant des fragments oxydants tels que des groupements nitrates dans certains matériaux de la formation. Deux exemples connus comme RDX (cyclo-1,3,5-triméthylène-2,4,6-trinitramine) et HMX (cyclotetramethylenetetranitramine) sont présentés in Figure 1, qui dans l'ensemble sont les matériaux les plus utilisés énergétiques de l'US DoD (Department of Defense). Noter le bilan d'oxygène des molécules, qui se traduit par la réaction exothermique auto-propagation en arrière du front de choc.
Figure 1. RDX (cyclo-1,3,5-triméthylène-2,4,6-trinitramine, à gauche) et HMX (cyclotetramethylenetetranitramine, à droite). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Une façon de déterminer la vitesse du front de détonation est de contrôler sa position en fonction du temps. vitesse de détonation (FODV) test de fibre optique est effectuée pour déterminer la vitesse de détonation d'une matière explosive. Un luminaire acrylique a été conçu pour maintenir l'échantillon explosive, et de localiser l'optiquefibres à des distances connues sur toute la longueur de charge. Le test standard utilise un 5 pouces de long par le diamètre échantillon explosive de 0,75 pouces avec cinq fibres optiques totales; la fibre inférieure est située 0,50 pouces à partir du bas de la charge et chaque fibre successive se trouve une pouces au-dessus de l'autre. Les trous percés dans la fixation acrylique sont deux trous-étagées. Le trou de plus grand diamètre est dimensionnée de manière à être compatibles avec le coeur et la gaine de la fibre optique et le trou de plus petit diamètre est un espace d'air confiné. Comme la détonation progresse à travers l'échantillon explosive, l'onde de choc produite excite l'espace aérien restreint la production d'un court, flash lumineux qui peut être observée avec les fibres optiques.
Les fibres optiques utilisées pour ce test possèdent un noyau en plastique bon marché. En raison de la nature destructrice de l'essai et de la cohérence du choc de l'air, des fibres de qualité supérieure sont introuvables être nécessaire pour maintenir les données de vitesse de haute qualité. L'installation d'essai à Picatinny Arsenalutilise photodiodes sommés de traduire la lumière provenant de la détonation en tension. L'amplitude du pic de tension est sans importance pour les besoins de ce test. Un oscilloscope à 1 GHz est relié à la boîte de sommation de photodiode, bien que le taux d'échantillonnage est bien au-delà ce qui est nécessaire pour ce test. Les fibres "pics" optiques peuvent être soit déterminées par la première hausse des valeurs de signal ou de pointe. Compte tenu de la distance entre les fibres optiques et la différence de temps entre l'arrivée de la détonation, la vitesse de détonation est ensuite déterminée.
détonation pression
pression de détonation est estimée par la mesure de la profondeur de la brèche dans une résultante norme de tôles d'acier de la détonation de l'explosif. Dent profondeurs sont bien corrélées à des valeurs de pression connues pour une variété de composés explosifs. En général, étant donné que la plupart des explosifs satisfont à la condition Chapman-Jouguet (CJ) pour une détonation se produise, la pression de détonation est typiquement appeléeque la pression CJ, et il sera de ce point de l'avant dans cet article. L'ensemble de charge est placée sur le dessus d'une plaque en acier, appelé «plaque témoin", et les résultats de détonation dans un trou dans la plaque. La profondeur de la dent au niveau du diamètre de charge de 0,75 pouces standard pour de nombreux matériaux explosifs avec une pression de détonation connus est ensuite comparée à la profondeur test de dent. pression de détonation par la plaque dent est une méthode fiable avec de nombreuses années de données documentées pour corrélations acceptables. Cependant, une détonation est, une réaction chimique rapide dynamique, et ces dernières années il est devenu souhaitable d'utiliser des outils avec une résolution supérieure à observer l'histoire en temps de pression.
Pour mesurer directement la pression de détonation d'un explosif, Photonic Vélocimétrie Doppler (PDV) peut également être utilisé. Ce système d'interféromètre à laser a été développé par Lawrence Livermore National Laboratory et utilise une source laser 1550 nm CW. En dirigeant le laser à une cible mobiled collecter la lumière, la fréquence résultant battement décalage Doppler peut être analysé pour fournir une trace de la cible de vitesse. Contrairement aux techniques photographiques classiques à grande vitesse, ces traces de vitesse fournissent un enregistrement continu de la vitesse de la cible en fonction du temps. Cette technique de mesure a gagné beaucoup d'attention au cours des dernières années et devient omniprésent dans DoD et Department of Energy (DoE) Les laboratoires de caractérisation d'explosion.
Pour calculer la pression CJ d'un nouvel explosif, un système de PDV peut être utilisé pour mesurer la vitesse des particules entre l'explosif et un polyméthacrylate de méthyle (PMMA) fenêtre. Une feuille très mince, généralement de l'aluminium ou de cuivre, est placé à l'interface d'agir comme une surface réfléchissante. Dans ces études, le cuivre a été utilisé. Ce film doit être suffisamment fine pour éviter un choc important atténuation des ondes tout en étant suffisamment épaisse pour empêcher la lumière de détonation de passer à travers. En règle générale, une épaisseur de feuillede 1000 angströms est idéal pour les configurations les plus expérimentales. Compte tenu de la vitesse des particules dans le PMMA et la vitesse de détonation de l'explosif, la pression de détonation peut être calculé avec les équations Hugoniot choc correspondant. 6
Bien que le test de FODV au diamètre de charge de 0,75 "est une norme établie à ARDEC, les tests basés sur PDV sont continuellement en cours de raffinement. En fonction de la formulation explosive, soit une ou deux tests peuvent être utilisés pour caractériser la vitesse de détonation et une pression de détonation.
Protocol
PRUDENCE! Le traitement, la manipulation, et les essais d'explosifs (Hazard Division matières de classe 1) ne doivent être effectuées par du personnel formé et qualifié. Explosifs brisants sont sensibles à l'impact, friction, les décharges électrostatiques et aux chocs. Utilisez uniquement des installations de recherche et de développement approuvés qui peuvent gérer de grandes quantités de matériaux de classe 1.
1. ARDEC fibre optique détonation Velocity test
- Couper à fibre optique à la longueur en utilisant un coupe de fibre optique et de regrouper dans des ensembles de cinq câbles. Basé sur des géométries de la chambre de test spécifiques au site, 15 mètres de long sont généralement utilisés. Bande de matériau de la gaine du câble en arrière de 15 mm sur une extrémité du faisceau et 5 mm de l'autre extrémité du faisceau. Polir les extrémités de la fibre optique avec un papier abrasif P800 coupe pour enlever les bavures.
Remarque: En raison de la nature destructrice de ce test, fibre optique plastique est préféré. propriétés de la fibre optique sont les suivantes; Polyméthacrylate de méthyle Résine(PMMA) matériau de base (980 um de diamètre), matériau de revêtement polymère fluoré (1000 um de diamètre), 1,49 noyau indice de réfraction, 0,5 ouverture numérique. - Mesurer échantillon d'essai et Composition A-3 Type diamètres booster II à granulés, des longueurs et des masses à l'aide d'un pied à une grande précision et d'équilibre.
Remarque: Bien que le test typique utilise 1,905 cm de diamètre par 2,54 cm pastilles de longueur, la procédure de test peut être utilisé avec n'importe quel culot de taille à condition que le montage en plastique maintient le câble de fibre optique centrée sur chaque pastille. Pour les essais de cette étude, les pastilles 1,905 cm de diamètre ont été utilisés. - Charger les boulettes explosives, un par un, dans la fixation en plastique en élargissant le diamètre intérieur du tube par indiscrets la fente ouverte. Un nombre record de boulettes explosives et les lieux dans le luminaire. Chargez ensuite le culot de rappel dans le tube du haut de l'appareil.
- Placez porte-détonateur acrylique sur le dessus de la pastille d'appoint.
Note: RP-502 Exploding Bridgewire détonateurs(AESA) sont généralement utilisés. Autres détonateurs peuvent être substitués, bien ré-étalonnage de l'essai serait nécessaire. - Insérer les extrémités courtes apparentes (5 mm) des fibres optiques dans les trous de deux gradins dans le dispositif d'essai de vitesse de détonation.
Remarque: Les deux étapes trous assurent l'air est suffisante pour l'ionisation lors du passage du front de détonation qui conduit à un signal fort. Les trous pour la fixation doivent avoir un diamètre de 0,021 pouce par 0,020 longueur trou intérieur contre l'explosif et un trou d'un diamètre de 0,042 pouces pour l'insertion de la fibre optique. Si des fibres plastiques sont utilisés, le ponçage du diamètre externe de la fibre optique peut être nécessaire en fonction des deux tolérances sur le diamètre de la fibre et dispositif d'essai. Assurez-vous que la fibre optique est complètement insérée (assis sur l'étape dans le trou de deux gradins). - Colle / Epoxy les fibres en place. Utilisez 5 min époxy pour ce protocole.
- Lorsque l'époxy maintenir les fibres en a complètement durci, positionner l'acryliqueTube ic contenant les pastilles explosives sur le dessus de la plaque témoin en acier. Fixer le texte fixation à la plaque en acier soit avec un poids sur le dessus de celui-ci ou de la bande. Assurez-vous qu'il n'y a pas un espace d'air entre la surface inférieure de la dernière pastille explosive et la plaque témoin en acier.
- Époxy 360 ° autour de l'appareil d'essai, en adhérant à la plaque témoin. Après l'époxy a complètement durci, placer le détonateur dans le porte-détonateur qui est en haut de l'appareil d'essai et de le fixer en place avec du ruban adhésif.
- Transporter le montage d'essai à la chambre d'essai et insérer les extrémités plus exposées (15 mm) des fibres optiques dans la zone de photodiode de sommation. Connecter la boîte de sommation de photodiode, ou une autre méthode d'acquisition de données, le cas échéant, à un oscilloscope (bande passante de 1 GHz est plus que suffisant).
- Connecter une ligne de mise à feu au détonateur RP-80. Fermez toutes les portes requise / ports / etc, et mener des opérations de confinement barricadé dans la région par test explosif de l'installation de tir (sles procédures d'exploitation tandard) SOP.
- Confirmer les paramètres de déclenchement, tension / division, temps / division oscilloscope. Connectez le déclenchement à partir de la Fireset haute tension avec un seuil de déclenchement de 3,0 V à un canal sur l'oscilloscope. Branchez la boîte de photodiode de sommation à un deuxième canal de l'oscilloscope. Réglez les deux canaux à 5 V / division et la base de temps à 5 ps / division, avec un réglage de retard de -20 ps.
- Déclencher l'article par l'intermédiaire Fireset à haute énergie.
- Mesurer les pics correspondant au temps de la sortie de la boîte de sommation photodiode. Dans l'écran de l'oscilloscope trace, utiliser des tensions de crête pour déterminer des moments précis, bien que première montée peut être un meilleur indicateur en fonction de l'équipement utilisé.
- Calculer la vitesse de détonation de cinq points dans le temps acquis de l'oscilloscope. Etant donné que la distance entre chaque fibre optique est connu, le calcul de la vitesse de détonation en divisant la distance entre chaque broche par le temps entre chaque crête (diposition / heure = vitesse). La moyenne et l'écart type sont tous deux signalés.
- Calculer la profondeur du trou dans la plaque témoin en acier en plaçant un roulement en acier calibré dans la dent pour trouver le niveau minimum, puis une jauge de profondeur utilisée pour déterminer la profondeur.
2. Photo Vélocimétrie Doppler
- une fenêtre PMMA machine dimensionné pour le diamètre de la charge explosive d'environ 6,5 mm d'épaisseur. Assurez-vous que la fenêtre est optiquement clair et exempt de tout défaut d'usinage. Pour ce faire prendre une feuille optiquement clair d'acrylique moulé et l'usinage sur les disques à l'aide d'un cutter laser ou d'un procédé d'usinage similaire. Ensuite, utiliser des jets d'eau pour obtenir une surface optiquement clair.
- Assurez-vous que l'épaisseur de la feuille d'aluminium ne dépasse pas 0.005 "selon les spécifications du fabricant. Si la surface de la feuille est vierge (spéculaire), rouler sur la surface avec un roulement à billes en acier inoxydable poli. Il en résulte une surface diffuse dans optimale bac laserk réflexion, même lorsque l'alignement est légèrement décalé.
- Utilisez une mince optiquement clair, ruban adhésif, à base d'acrylique pour fixer la feuille d'aluminium à la fenêtre PMMA. Assurez-vous qu'il n'y a pas de bulles d'air entre le PMMA et l'aluminium.
- Mesurer les explosifs diamètres échantillon d'essai à granulés, des longueurs et des masses. Utilisez étriers de haute précision et l'équilibre.
- Apposer les pastilles d'échantillon de test explosives les unes aux autres pour former une charge continue, y compris les boosters (si nécessaire). Appliquer de la graisse à chaque interface explosive lors de l'assemblage à réduire les écarts de l'air au niveau des interfaces de granulés.
- Monter broches dans un luminaire acrylique de vitesse de détonation. Ceux-ci peuvent être soit des fibres optiques ou des broches piézoélectriques. Les emplacements des broches par rapport à la charge doivent être connus.
- Fixer la tige support acrylique de vitesse de détonation de la charge. La bande est suffisante pour maintenir le support de broche acrylique à la charge. Typiquement, les emplacements fibre / broches sont le plus proche du fond du ch explosiveARGE telle que la détonation d'état stationnaire peut être observée.
- Attacher le détonateur à la charge. Inverser la charge assemblé et le stabiliser dans cette orientation pour se préparer à l'apposition de la fenêtre PMMA. Placer une petite quantité de graisse sur le visage explosive pour éviter les bulles d'air à l'interface aluminium / explosif.
- Fixez le côté feuille de la fenêtre PMMA de la charge explosive. Si la fenêtre et la charge sont concentriques, utiliser du ruban adhésif sur la circonférence. Dans le cas contraire, ruban adhésif vers le bas de l'axe de la charge explosive.
- Une fois la fenêtre PMMA est solidement fixé à la charge explosive, apposer la sonde porte PDV acrylique à la fenêtre PMMA avec du ruban adhésif. Insérez la sonde PDV dans le support de la sonde PDV.
- Aligner la sonde PDV dans le support avec un compteur back-réflexion. Cet appareil émet un faisceau laser de faible puissance et mesure l'amplitude de back-réflexion. Un back-reflet de -10 dBm à -20 dBm est souhaitable. Époxy la sonde PDV en place une fois le reflet de retour a été déterminée comme étantoptimal.
- Placez l'élément d'essai dans la chambre et l'attacher à la fois le fils de vitesse de détonation (fibre optique ou piézo-électrique) et la fibre PDV. Connecter une ligne de mise à feu à un détonateur RP-80. portes se ferment tout requises / ports / etc. et mener des opérations zone de confinement barricadé par explosifs SOP de tir d'essai de l'installation.
- Confirmer les paramètres de déclenchement, tension / division, temps / division oscilloscope. Confirmer les paramètres du système PDV. Observez laser de signal et amplitudes laser de référence et de modifier si nécessaire.
- Déclencher l'article par l'intermédiaire Fireset de haute énergie. Enregistrer les traces de l'oscilloscope pour les données PDV et des données de vitesse de détonation.
- Analyser les données PDV dans le programme d'analyse de données pertinentes. Le signal brut PDV doit être traitée en utilisant une transformation de Fourier rapide (FFT) progiciel d'analyse sur la base.
Remarque: En regardant le contenu de fréquence de ce signal brut, et connaissant la fréquence initiale de la source de lumière (1550 nm), le logiciel d'analyse FFT produit un spectrogramme de vitesse que les parcellesla vitesse enregistrée en fonction du temps. Dans ce cas, PlotData, un ministère de l'Énergie interface utilisateur graphique (GUI) États-Unis exclusive, est utilisé en conjonction avec le logiciel LabVIEW pour effectuer la FFT. Cependant, de nombreux logiciels d'analyse disponibles dans le commerce existent qui sont capables d'effectuer ces tâches. - Calculer la vitesse de détonation de cinq points dans le temps acquis de l'oscilloscope. Etant donné que la distance entre chaque fibre optique est connu, la vitesse de détonation est calculée en divisant la distance entre chaque broche par le temps écoulé entre chaque pic (distance / temps = vitesse). La moyenne et l'écart-type est rapporté.
Representative Results
Une configuration typique pour PDV est représenté sur les figures 2 et 3, tandis que la configuration de FODV est illustré à la figure 4. Après la détonation, les plaques de dent résultant de coups de FODV traditionnels sont présentés dans la figure 5, avec les résultats de position / temps de PAX-30 et PBXN-5 sur la figure 6. les deux matériaux possèdent des vitesses de détonation similaires (la pente de la droite), avec PAX-30 ~ 0,4 ps / mm plus lent. Bien qu'il ne semble pas y avoir une différence significative, il est en effet à la lumière du fait que PAX-30 possède près de 20% de moins en poids charge explosive. vitesse de détonation est pas le test concluant pour quantifier la réaction de l'aluminium dans le ou immédiatement après le front de détonation, mais il peut donner une évaluation préliminaire de la réaction de l'aluminium.
Figure 2. Une configuration typique PDV. Les boulettes explosives ou des bâtons coulées sont empilés. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3. Configuration PDV (près de vue). La configuration PDV à la base où la plaque de fidélisation se trouve. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4. FODV configuration. Le bâton avec l'époxyde sur la plaque témoin en acier pour assurer un contact solide et la position verticale lors de l'installation. Le détonateur et le rappel sont au sommet du bâton. = "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig4large.jpg" target = "_ blank"> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 5. Dent d'essai FODV. La dent est mesurée avec une jauge de profondeur calibrée ou un profilomètre. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 6. Calculs du taux de détonation. Chaque point de données est de les repères de la fibre optique dans la configuration du FODV. PAX-30 R 2 = 0,999717, RMSE (erreur quadratique moyenne) = 0,519693; PBXN-5 R 2 = 0,998778, RMSE = 1,342272.om / files / ftp_upload / 52950 / 52950fig6large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
| Explosif | n | Détonation Velocity (mm / ps) | CJ pression (GPa, Plate dent) | CJ pression (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 |
Tableau 1. Les données de performance à partir d'expériences. N est le nombre total de tests, chacun avec 5 repères de la fibre optique. La pression CJ PDV se compose d'un seul test.
le sortie de la trace PDV de la plaque de fidélisation du fond de la charge explosive des figures 2-3 est illustré à la figure 7. Les oscillations résultent de la sonnerie dans la plaque de l'accélération rapide à près de 4-5 km / sec. La pression CJ est calculée à partir de la modélisation de l'Hugoniot de gaz produit avec l'approximation de Cooper, 6 puis extrapoler le point CJ fois l'Hugoniot d'aluminium-explosive est adaptée. Une impression typique d'écran d'un tel calcul est illustré à la figure 8. La technique a encore quelques limitations puisque les calculs supposent une accélération extrapolation linéaire à partir du début de la vitesse de circulaires. Cela se traduit par une sous-estimation légèrement la pression, comme le montrent les résultats (tableau 1). Des travaux sont en cours pour développer de nouvelles équations pour adapter l'accélération rapide de la plaque circulaire.
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Figure vitesse 7. Plate en fonction du temps pour la mesure de la pression CJ dans le PBXN-5 explosive. Notez l'excellente entente entre deux prises de vues différentes, où les traces tombent pratiquement un sur l'autre. S'il vous plaît, cliquez ici pour afficher une version plus grande de ce chiffre.
Figure 8. Calcul de la pression CJ à partir des données de la plaque de fidélisation de cuivre sur l'expérience PDV. Notez que l'extrapolation suppose une accélération linéaire de la poussée initiale de la plaque de fidélisation qui mène actuellement une sous-estimation de la pression CJ. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure. </ A>
Figure 9. Représentation des isentropes d'expansion qui n'a pas réagi et ayant réagi de l'aluminium dans les produits de détonation. Les droites bleus sont les solutions de tangentes qui sont proportionnels à la vitesse de détonation. Notez la solution Al produits réagi forcer la vitesse de détonation à être inférieure à la solution qui n'a pas réagi Al. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Discussion
Noter les différences de pression entre les deux calculés formulations explosives. Les pièces explosives aluminisé moins de pression, en partie en raison de moins nitramine (HMX) le chargement, mais aussi parce que l'aluminium réagit avec l'oxygène dans les gaz de détonation en expansion, ce qui se traduit par une dent inférieure d'une pression de détonation inférieure. Le PBXN-5 exerce une pression de détonation élevée en raison de sa teneur plus élevée de gaz lors de la détonation par rapport à PAX-30 (36,2 moles / kg pour PBXN-5 par rapport à 33,1 moles / kg pour PAX-30). Plus équations avancés de l'état (EOS) dérivé de mesures de la vitesse de la paroi sont utilisés pour décrire les conditions de vie des produits explosifs à des températures et des pressions extrêmes. 10,11 Ce sera l'objet de manuscrits futures.
Il est apparu que lorsque la réaction rapide d'un métal dans un explosif se produit, la vitesse de détonation détecté est inférieur si le métal ne réagit pas. Ceci est quelque peu contre-intuitif; unattendrait la vitesse d'augmenter si d'autres dépôts d'énergie dans le front de détonation en expansion en raison de la réaction exothermique de l'aluminium. La diminution de la vitesse de détonation découle de solutions aux Hugoniots pression densité. Le volume spécifique (densité inverse) à haute pression isentrope désigne changements dans autant de produits de la détonation expansion (de gauche à droite sur la figure 9). 6 La isentrope d'expansion représente les produits de détonation qui peuvent thermodynamiquement former et développer le long de la courbe de volume spécifique à une pression . Au cours de l'expansion, si l'aluminium réagit pour former des espèces oxydées, elle se traduit par une diminution globale de la densité de gaz et conduit à une vitesse inférieure. Cela se manifeste par une isentrope d'expansion inférieure à la solution de l'aluminium non-réactive (Figure 9). Etant donné que la vitesse de détonation est la ligne tangente coupant l'isentrope partir de la densité de départ sur l'axe des abscisses, on voit la détonation vitesse doit diminuer lorsque l'aluminium réagit dans la formulation.
En résumé, le Département de la Défense des États-Unis continue de poursuivre activement la recherche appliquée et la caractérisation de nouveaux matériaux énergétiques avec les technologies traditionnelles et nouvelles. Dans le cas de PDV, il est un outil précieux qui caractérise explosifs avec une précision extrême et fournit les chercheurs avec des informations précieuses sur l'efficacité explosive. Ce cycle de test rapide diminue fortement le coût et le temps nécessaire à la vérification de l'optimisation et exigences formulation.
Disclosures
DISTRIBUTION Autorisé pour une diffusion générale; distribution illimitée. Les auteurs ont rien à révéler.
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 |
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- 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).
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Ingénierie Numéro 108 explosifs détonation Testing fibre optique Photo Vélocimétrie DopplerErratum
Formal Correction: Erratum: Research and Development of High-performance Explosives
Posted by JoVE Editors on 06/30/2016.
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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.
