ERRATUM NOTICE
Important: There has been an erratum issued for this article. Read more …
Abstract
testes de desenvolvimento de explosivos de alta potência para aplicações militares envolve a formulação de pequena escala, testes de segurança, e, finalmente, os testes de desempenho de detonação para verificar cálculos teóricos. em pequena escala Para formulações recentemente desenvolvidos, o processo inicia-se com misturas de pequena escala, um teste térmico e impacto e sensibilidade atrito. Só então formulações posteriores de maior escala proceder a testes de detonação, que será abordado neste trabalho. Recentes avanços em técnicas de caracterização levaram a precisão sem paralelo na caracterização da evolução em tempo precoce de detonações. A nova técnica de velocimetria foto-Doppler (PDV) para a medição da pressão e da velocidade de detonação será partilhada e comparada com a velocidade de detonação de fibra óptica e a placa-Dent cálculo tradicional de pressão de detonação. Em particular, será discutido o papel de alumínio em formulações explosivas. Desenvolvimentos recentes levou ao desenvolvimento de f explosivoormulations que resultam na reacção de alumínio muito cedo na expansão do produto de detonação. Esta reacção aumentada leva a alterações na velocidade de detonação e devido à pressão da reacção do alumínio com o oxigénio nos produtos de gás em expansão.
Introduction
Desenvolvimento de altos explosivos para uso militar envolve considerações de segurança extensas e limitações de recursos, devido às exigências da instalação de ensaio. No Armament Research Exército dos EUA e Desenvolvimento e Comando de Engenharia (ARDEC), Picatinny Arsenal, explosivos são avaliados a partir do nível de pesquisa através da monitorização do ciclo de vida completo e desmilitarização. Novos explosivos que são mais seguros para o manuseio, armazenamento e carregamento são continuamente avaliados em um esforço para fornecer munições eficazes e seguros para o combatente. recente lei determina que, sempre que possível, munições Insensitive (IM) diretrizes e requisitos são seguidos. Portanto, sempre que novos explosivos são sintetizados e formulado, testes de desempenho é fundamental para garantir que atendam as necessidades dos utilizadores. Neste contexto, a medição das propriedades de detonação PAX-30 recentemente desenvolvido é comparado com o PBXN-5, um explosivo de alta performance tradicional. Em particular, a medição do seu velo de detonaçãocidade e detonação de pressão, que são importantes para a verificação de modelos teóricos e cálculos de desempenho, é compartilhado. A PAX-30 foi desenvolvido para substituir explosivos legados, como PBXN-5 usando alumínio reativo.
Alumínio possui uma entalpia elevada de oxidação como o alumínio, numa base molar por:
2Al + 3/2 O2 -> Al 2 O 3 (1,670 kJ / mol)
Ao adicionar alumínio em lugar dos ingredientes explosivos sensíveis choque, a formulação torna-se mais segura a insultos de choque e de perigo externos. Isso ajuda a efetivamente cumprir Insensitive Munition (IM) requisitos Nações Unidas e, ao mesmo tempo mantendo o desempenho necessário para aplicações militares 2,3.4.
As instalações para testar tais itens são únicos e altamente especializado. Alguns testes iniciais são realizados para rastrear explosivos antes de manusear em grandes quantidades. Ttestes stas incluem caracterização térmica com calorimetria exploratória diferencial (DSC) e ensaios de choque e de fricção. Para os ensaios de DSC, uma pequena amostra de teste é aquecida a uma taxa constante, numa atmosfera inerte, e a quantidade e direcção do fluxo de calor é monitorizado. Para os testes de impacto e de fricção, a amostra é submetido a insultos de um peso caindo padronizado (Bundesanstalt fur Materialprüfung ou BAM Impact), e para o teste de atrito de um pino de cerâmica padronizado e placa (Bundesanstalt fur Materialprüfung, ou Friction BAM). 5
Uma vez que as formulações são considerados seguros para o manuseio, ainda scale-up é realizado por tecnologias de mistura de propriedade. Em suma, explosivos de alta potência se dividem em três categorias:
Derreter-fundido, em que o ligante é um material em fase fundida tal como uma cera, trinitrotolueno (TNT), dintroanisole (DNAN), ou outro material fundível. sólidos energéticas ou de combustível pode ser incorporado com uma análise cuidadosa do partamanho tigo e compatibilidade.
Cast-cura, em que o ligante é um polímero fundível, tais como polibutadieno com terminação hidroxilo (HTPB), poliacrilato, ou qualquer outro tipo epóxi de plástico que é líquido no seu estado não reagido, mas após o início solidifica a um sólido. Os sólidos são incorporados na matriz durante o seu estado líquido.
Pressionada, em que a carga de sólidos é muito elevada, muitas vezes aproximando-se cerca de 95% em peso, com um agente ligante que é adicionado para revestir os sólidos utilizando um processo de extrusão ou laca.
Uma vez pressionado ou fundido, os materiais são maquinados utilizando metodologias padrão para se obter a geometria adequada para um teste desejado. Neste trabalho, PAX-30 e PBXN-5 são de alto desempenho pressionado explosivos. As formulações são feitas através de um processo de suspensão de revestimento, em que os cristais nitramine energéticos (HMX, RDX, ou Cl-20) e de alumínio partículas são suspensas numa solução aquosa. A laca com o ligante i proprietárias, em seguida, adicionado. Após a adição de verniz, as camadas de polímero se os cristais explosivas, a suspensão é aquecida sob vácuo para eliminar o solvente, e as partículas são, então, filtrou-se e secou-se. As partículas granulares semelhantes são então pressionado para a configuração desejada.
velocidade de detonação
A fim de determinar a velocidade de detonação, deve-se controlar a chegada da frente de detonação no material. Um detonação é definida como um aumento instantâneo auto-sustentação de pressão e de temperatura que é mais rápido do que a velocidade do som no material. Ele torna-se auto-sustentável quando a temperatura e a pressão são suficientes para proporcionar reacções exotérmicas atrás da frente da reacção de propagação. Tal comportamento é realizada através da incorporação de unidades de oxidação tal como grupos nitratos em certos materiais de formação. Dois exemplos conhecidos como RDX (ciclo-1,3,5-trimetileno-2,4,6-trinitramina) e HMX (cyclotetramethylenetetranitramine) são mostrados in Figura 1, que em grande parte são os materiais energéticos mais utilizado no DoD dos EUA (Departamento de Defesa). Nota o balanço de oxigénio das moléculas, o que resulta na reacção exotérmica auto-propagação para trás da frente de choque.
Figura 1. RDX (ciclo-1,3,5-tri-2,4,6-trinitramina, à esquerda) e HMX (cyclotetramethylenetetranitramine, à direita). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Uma forma de determinar a velocidade da frente de detonação é para controlar a sua posição como uma função do tempo. velocidade de detonação (FODV) teste de fibra óptica é realizada para determinar a velocidade de detonação de um material explosivo. Uma luminária de acrílico foi projetado para manter a amostra explosivo, e localize o ópticofibras a distâncias conhecidas para baixo o comprimento de carga. O teste padrão usa a 5 polegadas de comprimento por diâmetro amostra explosiva de 0,75 polegadas com cinco fibras ópticas totais; a fibra parte inferior localiza-se 0,50 polegadas a partir do fundo da carga e fibra de cada sucessiva está localizado um polegadas acima do próximo. Os furos no suporte de acrílico são dois-escalonados buracos. O furo de maior diâmetro está dimensionada para se ajustar o núcleo e o revestimento da fibra óptica e o furo de menor diâmetro serve como um espaço de ar confinado. À medida que a detonação progride através da amostra de explosivo, a onda de choque produzida excita o espaço de ar confinado a produção de um curto flash, brilhante que pode ser observado com as fibras ópticas.
As fibras ópticas usadas para este ensaio possui um núcleo de plástico barato. Devido à natureza destrutiva do teste e a consistência do choque de ar, fibras de maior qualidade não foram encontrados para ser necessário para manter dados de velocidade de alta qualidade. A instalação de ensaio em Picatinny Arsenalutiliza fotodiodos somados para traduzir a luz da detonação em tensão. A amplitude do pico de tensão não é importante para os propósitos deste teste. Um osciloscópio de 1 GHz é conectado à caixa soma dos fotodiodo, apesar de que a taxa de amostragem é muito além do que é necessário para este teste. As fibras ópticas "picos" pode ser determinada por qualquer um primeiro aumento dos valores de sinal ou de pico. Tendo em conta a distância entre as fibras ópticas e a diferença de tempo entre a chegada de detonação, é então determinada velocidade de detonação.
Pressão de detonação
pressão de detonação é estimada pela medição da profundidade dente em uma resultante placa de aço padrão de detonação do explosivo. Dent profundidades estão bem correlacionados com os valores de pressão conhecidas para uma variedade de compostos explosivos. Normalmente, uma vez que a maioria dos explosivos satisfazer a condição Chapman-Jouguet (CJ) para uma detonação a ocorrer, a pressão de detonação é tipicamente referidocomo a pressão CJ, e será a partir deste ponto para a frente neste artigo. A montagem de carga é colocada no topo de uma chapa de aço, uma chamada "placa testemunha", e os resultados detonação num dente na placa. A profundidade do dente com o padrão de carga diâmetro de 0,75 polegadas por numerosos materiais explosivos com pressões de detonação conhecidos é então comparado com a profundidade de teste Dent. pressão de detonação pela dent placa é um método confiável, com muitos anos de dados documentados para correlações aceitáveis. No entanto, uma detonação é, uma reacção química rápida dinâmico, e nos últimos anos tornou-se desejável utilizar ferramentas com maior resolução para observar a história pressão-tempo.
Para medir diretamente a pressão de detonação de um explosivo, Photonic dopplervelocimetria (PDV) também pode ser usado. Este sistema de interferômetro laser foi desenvolvido pelo Laboratório Nacional Lawrence Livermore e utiliza uma fonte de laser nm 1,550 CW. Ao dirigir o laser em um um alvo em movimentod recolher a luz, a frequência de batimento resultante desvio Doppler pode ser analisado para proporcionar um traçado da velocidade do alvo. Ao contrário das técnicas fotográficas tradicionais de alta velocidade, estes vestígios de velocidade proporcionam um registo contínuo da velocidade do alvo, como uma função do tempo. Esta técnica de medição ganhou atenção significativa nos últimos anos e está se tornando onipresente no DoD e Departamento de Energia (DoE) laboratórios de caracterização de explosivos.
De modo a calcular a pressão de um novo CJ explosivo, um sistema PDV pode ser utilizado para medir a velocidade das partículas entre o explosivo e uma janela de polimetil metacrilato (PMMA). Uma folha muito fina, geralmente de alumínio ou cobre, é colocado nesta interface para actuar como uma superfície reflectora. Nestes estudos, foi utilizado o cobre. Esta folha deve ser fina o suficiente para evitar a atenuação da onda de choque significativa ao ser grossa o suficiente para evitar a luz detonante de passagem. Normalmente, uma espessura da folhade 1.000 angstroms é ideal para configurações mais experimentais. Dada a velocidade das partículas de PMMA e a velocidade de detonação do explosivo, a pressão de detonação pode ser calculado com as equações correspondentes choque Hugoniot. 6
Enquanto o teste FODV em 0.75 "de diâmetro taxa é um padrão estabelecido pelo ARDEC, os testes baseados em PDV estão a sofrer continuamente requinte. Dependendo da formulação explosiva, quer um ou ambos os ensaios podem ser utilizados para caracterizar a velocidade de detonação e pressão de detonação.
Protocol
CUIDADO! O processamento, manipulação, e teste de explosivos de alta potência (Hazard Divisão Classe 1 materiais) só deve ser realizada por pessoal treinado e qualificado. Explosivos de alta potência são sensíveis ao impacto, fricção, descarga eletrostática, e choque. usar somente instalações de pesquisa e desenvolvimento aprovados que podem lidar com grandes quantidades de Classe materiais 1.
1. ARDEC fibra óptica detonação Teste de Velocidade
- Corte de fibra óptica ao comprimento usando cortadores de fibra óptica e agrupar em conjuntos de cinco cabos. Baseado em geometrias câmara de teste de site-specific, 15 metro de comprimento são normalmente utilizados. Faixa de material de revestimento do cabo da parte traseira 15 mm sobre uma extremidade do feixe e 5 mm na outra extremidade do feixe. Polir as extremidades cortadas do fibra óptica com P800 lixa para remover quaisquer rebarbas.
Nota: devido à natureza destrutiva do presente ensaio, é preferido fibra óptica de plástico. Propriedades de fibra óptica são como se segue; Polimetilmetacrilato Resin(PMMA) material do núcleo (980 um de diâmetro), material de revestimento de polímero fluorado (1000 um de diâmetro), 1,49 índice de refracção do núcleo, 0,5 abertura numérica. - Meça amostra de teste e Composição A-3 Tipo diâmetros II impulsionador da pelota, comprimentos e massas usando uma pinça de alta precisão e equilíbrio.
Nota: Embora o teste típico usa 1,905 centímetros de diâmetro por 2,54 cm de comprimento peletes, o processo de teste pode ser usada com qualquer tamanho de grânulo, desde que o acessório de plástico mantém o cabo de fibra óptica centrado em cada pelete. Para os ensaios, no presente estudo, foram utilizados os peletes 1,905 cm de diâmetro. - Coloque as bolinhas explosivas, um por um, para a fixação de plástico, expandindo o diâmetro interno do tubo de via erguer o slot aberto. números de pelotização explosivos gravadoras e locais no equipamento. Em seguida, carregar o sedimento de reforço para dentro do tubo a partir do topo do dispositivo.
- Coloque o suporte do detonador acrílico no topo do sedimento de reforço.
Nota: RP-502 Exploding Bridgewire Detonadores(EBWs) são tipicamente utilizadas. Outros detonadores pode ser substituído, embora a recalibração do teste seria necessário. - Inserir as extremidades expostas mais curtos (5 mm) de fibras ópticas para os buracos de dois degraus no suporte de ensaio velocidade de detonação.
Nota: Os orifícios de duas etapas garantir que há ar suficiente para ionização mediante passagem da frente de detonação que leva a um sinal forte. Os orifícios para a fixação devem ter um diâmetro de 0,021 polegadas por 0.020 comprimento furo interno contra o explosivo e um orifício de diâmetro de 0,042 polegadas para inserção da fibra óptica. Se são utilizadas fibras de plástico, lixa luz do diâmetro exterior da fibra óptica pode ser necessário, dependendo ambas as tolerâncias de diâmetro de fibra e suporte de ensaio. Assegure-se que a fibra óptica está totalmente inserida (sentado no degrau no furo de dois passos). - Cola / Epoxy as fibras no lugar. Use 5 min epoxy para este protocolo.
- Quando o epóxi segurando as fibras esteja completamente curado, posicione o acrílicoIC tubo contendo os peletes de explosivos na parte superior da placa de aço testemunha. Garantir a fixação de texto para a placa de aço ou com um peso em cima dela ou fita. Assegure-se que não existe uma folga de ar entre a superfície inferior da última pastilha explosivo e a placa testemunha aço.
- Epóxi 360 ° ao redor do dispositivo de ensaio, aderindo-lo à placa testemunha. Depois do epóxi ter curado completamente, colocar o detonador no suporte de detonador que está no topo do dispositivo de ensaio e fixá-lo no lugar com fita adesiva.
- Transportar o dispositivo de ensaio à câmara de ensaio e inserir as extremidades mais expostos (15 mm) de fibras ópticas para a caixa de fotodíodo soma. Conectar a caixa de fotodíodo soma, ou outro método de aquisição de dados, conforme o caso, a um osciloscópio (1 GHz da largura de banda é mais do que suficiente).
- Conecte uma linha de tiro até o detonador RP-80. Feche todas as portas exigido / ports / etc e conduzir operações de bloqueio da área por teste explosivo da instalação disparo (sprocedimentos operacionais tandard) PON.
- Confirmar as definições de disparo, tensão / divisão, tempo / divisão do osciloscópio. Ligue o gatilho para fora do fireset de alta tensão com um valor limiar de 3,0 V para um canal no osciloscópio. Conectar-se a caixa de fotodiodo soma a um segundo canal no osciloscópio. Defina ambos os canais a 5 V / divisão e a base de tempo para 5 ms / divisão, com uma configuração de atraso de -20 ms.
- Detonar o item via fireset de alta energia.
- Medir os picos correspondentes ao tempo a partir da saída da caixa de fotodíodo somador. O traçado tela do osciloscópio, use tensões de pico para determinar horários específicos, embora primeira elevação pode ser um indicador melhor, dependendo do equipamento utilizado.
- Calcular velocidade de detonação dos cinco pontos de tempo adquiridos do osciloscópio. Uma vez que o espaçamento de cada fibra óptica é conhecido, calcular a velocidade de detonação através da divisão da distância entre cada pino de pelo tempo entre cada pico (diposição / tempo = velocidade). A média e o desvio padrão são ambos relataram.
- Calcula-se a profundidade do dente na placa de aço testemunha pela colocação de um rolamento de aço calibrado no dente para encontrar o nível mínimo, e, em seguida, um medidor de profundidade utilizado para determinar a profundidade.
2. Foto dopplervelocimetria
- Máquina de uma janela de PMMA dimensionados para o diâmetro da carga explosiva aproximadamente 6,5 milímetros de espessura. Certifique-se de que a janela é opticamente clara e livre de quaisquer defeitos de usinagem. Para alcançar este objetivo levar uma folha opticamente clara de acrílico fundido e usinagem os discos usando um cortador a laser ou processo de usinagem similar. Em seguida, utiliza jactos de água para se obter uma superfície opticamente clara.
- Certifique-se que a espessura da folha de alumínio não exceda 0,005 "per especificações do fabricante. Se a superfície da folha é pura (especular), rolar sobre a superfície com um rolamento de esferas de aço inoxidável polida. A difusas resultados de superfície em bac optimizado em laserk reflexão, mesmo quando o alinhamento é um pouco fora.
- Use uma fita fina, opticamente clara, de base acrílica adesiva para fixar a folha de alumínio para a janela de PMMA. Certifique-se de que não existem bolhas de ar entre o PMMA e do alumínio.
- Meça os explosivos diâmetros amostra de teste de pelotização, comprimentos e massas. Use pinças de alta precisão e equilíbrio.
- Apor as pelotas de amostra de teste explosivo para o outro para formar uma carga contínua, incluindo quaisquer reforços (se necessário). Aplique graxa em cada interface explosiva durante a montagem para minimizar as lacunas de ar nas interfaces de pelotização.
- Mount velocidade de detonação pinos para um dispositivo elétrico acrílico. Estes podem ser quer fibras ópticas ou pinos piezoeléctricos. As localizações dos pinos com respeito à carga deve ser conhecida.
- Apor suporte do pino acrílico velocidade de detonação à carga. Tape é suficiente para manter o suporte do pino de acrílico para a acusação. Tipicamente, os locais de fibra / pino estão mais próximo da parte inferior do ch explosivoarge de tal forma que constante detonação estado pode ser observado.
- Anexar o detonador à carga. Inverta a carga montado e estabilizá-lo nesta orientação para se preparar para a aposição da janela PMMA. Colocar uma pequena quantidade de massa lubrificante na face explosivo para evitar bolhas de ar na interface alumínio / explosiva.
- Apor o lado da folha da janela do PMMA para a carga explosiva. Se a janela e carga são concêntricos, use fita circunferencial. Se não, fita para baixo do eixo da carga explosiva.
- Quando a janela do PMMA está firmemente ligado à carga explosiva, apor titular sonda acrílico PDV para a janela PMMA com fita adesiva. Inserir a sonda PDV no suporte da sonda de PDV.
- Alinhe a sonda PDV no suporte com um medidor de back-reflexão. Este dispositivo emite um feixe de laser de baixa potência e mede a amplitude back-reflexão. Um back-reflexo de -10 dBm a -20 dbm é desejável. Epóxi a sonda PDV no lugar uma vez a reflexão de volta foi determinada a seróptima.
- Coloque o item de ensaio na câmara e anexar ambos os fios de velocidade de detonação (fibra óptica ou piezoelétrico) ea fibra PDV. Conecte uma linha de tiro a um detonador RP-80. portas se fecham todas as necessárias / ports / etc. e conduzir operações área de bloqueio por SOPs teste de queima explosivos da instalação.
- Confirmar as definições de disparo, tensão / divisão, tempo / divisão do osciloscópio. Confirme as configurações do sistema PDV. Observe a laser de sinal e amplitudes de laser de referência e modificar, se necessário.
- Detonar o item via fireset alta energia. Salve vestígios osciloscópio para os dados de PDV e dados de velocidade de detonação.
- Analisar os dados de PDV em programa de análise de dados relevantes. O sinal de PDV cru deve ser processado usando um Fast Fourier Transform pacote de análise de base (FFT).
Nota: Ao olhar para o conteúdo deste sinal bruto frequência, e conhecendo a frequência inicial da fonte de luz (1.550 nm), o pacote de análise FFT produz uma velocidade espectrograma que as parcelasa velocidade registada como uma função do tempo. Neste caso, PlotData, uma propriedade Departamento de Energia interface gráfica de utilizador (GUI), Estados Unidos da América, é utilizado em conjunto com o software LabVIEW para levar a cabo a FFT. No entanto, existem muitos pacotes de análise disponíveis no mercado que são capazes de realizar essas tarefas. - Calcular velocidade de detonação dos cinco pontos de tempo adquiridos do osciloscópio. Uma vez que o espaçamento de cada fibra óptica é conhecido, a velocidade de detonação é calculado dividindo a distância entre cada pino de pelo tempo entre cada pico (a distância / tempo = velocidade). A média eo desvio padrão é relatado.
Representative Results
Uma configuração típica para VPD é mostrado nas Figuras 2 e 3, enquanto que a configuração FODV é mostrado na Figura 4. Após a detonação, os resultantes placas dente de tiros FODV tradicionais são mostrados na Figura 5, com os resultados posição / tempo de PAX-30 e PBXN-5 na Figura 6. Ambos os materiais possuem velocidades de detonação semelhantes (a inclinação da linha), com PAX-30 ~ 0.4 ms / mm mais lento. Embora possa não parece haver uma diferença significativa, isto é, de facto, tendo em conta o facto de que PAX-30 possui cerca de 20% menos de peso de enchimento explosivo. velocidade de detonação não é o teste conclusivo para quantificar a reação de alumínio no ou imediatamente após a detonação frente, mas pode dar uma avaliação preliminar da reação de alumínio.
Figura 2. A configuração típica PDV. As pelotas explosivos ou varas fundidas são empilhados. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. Configuração PDV (vista próxima). A configuração PDV na base onde a placa insecto está localizado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4. FODV configuração. A vara é epoxied na placa testemunha de aço para assegurar um contato sólido e postura ereta durante a instalação. O detonador e de reforço são colocados no topo da vara. = "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig4large.jpg" target = "_ blank"> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5. Dent de teste FODV. O dente é medida com um medidor de profundidade calibrado ou um profilometer. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6. Cálculos da taxa de detonação. Cada ponto de dados é a partir dos pinos de fibra óptica na configuração FODV. PAX-30 R 2 = 0,999717, RMSE (raiz quadrada média do erro) = 0,519693; PBXN-5 R 2 = 0,998778, RMSE = 1,342272.om / files / ftp_upload / 52950 / 52950fig6large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Explosivo | n | Detonação Velocidade (mm / ms) | Pressão CJ (GPa, placa dent) | Pressão CJ (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 |
Tabela 1. Os dados de desempenho a partir de experimentos. N é o número total de testes, cada um com 5 pinos de fibra óptica. A pressão PDV CJ consiste em apenas um teste.
o saída do traço PDV da placa de insecto a partir do fundo da carga explosiva das Figuras 2-3 é mostrado na Figura 7. As oscilações surgem a partir do tocar na placa a partir da aceleração rápida para cerca de 4-5 km / s. A pressão CJ é calculado a partir modelar o Hugoniot gás produto com aproximação de Cooper, 6 e depois extrapolando o ponto CJ uma vez que o Hugoniot alumínio explosivo é correspondida. Uma tela de impressão típico de um tal cálculo é mostrado na Figura 8. A técnica tem ainda algumas limitações uma vez que os cálculos assumem uma extrapolação aceleração linear desde o início da velocidade de insecto. Isto resulta em subestimar ligeiramente a pressão, como evidenciado pelos resultados (Tabela 1). Estão em curso trabalhos para desenvolver novas equações para se adequar a aceleração inicial da placa flyer.
carregar / 52950 / 52950fig7.jpg "/>
Figura velocidade 7. Placa como uma função do tempo para a medição da pressão CJ na PBXN-5 explosivo. Observe a excelente concordância entre dois tiros diferentes, onde os traços praticamente caem uns sobre os outros. Por favor clique aqui para ver uma versão maior esta figura.
Figura 8. O cálculo da pressão CJ a partir dos dados da placa de cobre panfleto sobre o experimento PDV. Note-se que a extrapolação pressupõe uma aceleração linear no impulso inicial da placa de insecto que atualmente conduz a uma subestimação da pressão CJ. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. </ A>
Figura 9. Representação dos isentropes de expansão para Aluminum reagiu e não reagido nos produtos de detonação. As linhas retas azuis são as soluções tangentes que são proporcionais à velocidade de detonação. Note-se a solução de produtos de Al reagiu forçar a velocidade de detonação a ser menor do que a solução Al que não reagiu. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Discussion
Observe as diferenças de pressão calculada entre as duas formulações explosivos. As exposições explosivas aluminizado menos pressão, parcialmente devido à menor nitramine (HMX) de carga, mas também porque o alumínio reage com o oxigénio nos gases de detonação em expansão, o que resulta em um dente mais pequeno a partir de uma pressão de detonação inferior. O PBXN-5 exerce uma pressão de detonação superior devido ao seu elevado teor de gás em cima de detonação em comparação com PAX-30 (36,2 moles / kg para PBXN-5 contra 33,1 moles / kg para PAX-30). Mais avançada equações de estado (EOS) derivadas a partir de medições de velocidade de parede são utilizados para descrever as condições de os produtos explosivos a tais temperaturas e pressões extremas. 10,11 Este será o tema de futuras manuscritos.
Foi aparente que quando a reacção inicial de um metal em um explosivo ocorre, a velocidade de detonação detectada é menor do que se o metal não reage. Isso é um pouco contra-intuitivo; umseria de esperar que a velocidade a aumentar se mais depósitos de energia para a frente de detonação em expansão devido à reacção exotérmica de alumínio. A diminuição da velocidade de detonação surge a partir de soluções para as Hugoniots pressão densidade. O volume específico (densidade inversa) -pressão isentrope indica alterações em produtos como a detonação de expansão (da esquerda para a direita na Figura 9). 6 A isentrope expansão assinala os produtos de detonação que pode termodinamicamente formação e expansão ao longo da curva de pressão-volume específico . Durante o curso de expansão, se o alumínio reage para formar as espécies oxidadas, que resulta numa diminuição global da densidade de gás e leva a uma velocidade inferior. Isto manifesta-se em um isentrope expansão abaixo da solução para o alumínio não-reactivo (Figura 9). Uma vez que a velocidade de detonação é tangente a linha que intersecta a isentrope a partir da densidade de partida no eixo dos x, resulta a detonação velocity deve diminuir quando o alumínio na formulação reage.
Em resumo, o Departamento de Defesa dos Estados Unidos continua a prosseguir activamente a pesquisa aplicada e caracterização de novos materiais energéticos com ambas as tecnologias tradicionais e inovadoras. No caso de PDV, é uma ferramenta valiosa que caracteriza explosivos com extrema precisão e fornece os pesquisadores com informações valiosas sobre a eficácia explosivo. Este ciclo de teste rápido diminui muito o custo eo tempo necessário para a verificação de otimização de formulação e exigências.
Disclosures
DISTRIBUIÇÃO A: Aprovado para publicação; distribuição é ilimitada. Os autores não têm nada a revelar.
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
Engenharia Edição 108 explosivos detonação Testing fibra óptica Foto dopplervelocimetriaErratum
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.
