Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance tests to verify theoretical calculations. This paper will share typical development tests associated with the measurement of detonation velocity and detonation pressure.
Developmental afprøvning af høje sprængstoffer til militære applikationer involverer lille skala formulering, sikkerhed test, og endelig detonation præstationstest at verificere teoretiske beregninger. lille skala For nyudviklede formuleringer, processen begynder med små blandinger, termisk test, virkninger og friktion følsomhed. Først da gøre efterfølgende formuleringer større målestok videre til detonation test, som vil blive dækket i dette papir. Nylige fremskridt inden karakteriseringsteknikker har ført til enestående præcision i karakteriseringen af tidlig tidsudvikling af detonationer. Den nye teknik af foto-Doppler Velocimetri (PDV) til måling af detonation tryk og hastighed vil blive delt og sammenlignet med traditionelle fiberoptisk detonationshastighed og plade-dent beregning af detonation pres. Især vil den rolle af aluminium i eksplosive formuleringer drøftes. Den seneste udvikling har ført til udviklingen af eksplosive formulations der resulterer i omsætning af aluminium meget tidligt i detonation produkt ekspansion. Denne forøgede reaktion fører til ændringer i detonationshastigheden og tryk som følge af omsætning af aluminium med oxygen i de ekspanderende gasprodukter.
Udvikling af sprængstoffer til militær brug indebærer omfattende sikkerhedshensyn og begrænsede ressourcer grundet test facilitet krav. På den amerikanske hær Armament forskning og udvikling og Engineering Kommando (ARDEC), Picatinny Arsenal, er sprængstoffer vurderes fra forskningsniveau gennem fuld overvågning og demilitarisering livscyklus. Nye sprængstoffer, der er sikrere for håndtering, opbevaring og lastning løbende evalueret i et forsøg på at give effektive og sikre ammunition til Warfighter. Seneste lov dikterer, at når det er muligt, ufølsomt over ammunition (IM) retningslinjer og krav følges. Derfor, når nye sprængstoffer syntetiseres og formuleret, performance test er altafgørende for at sikre, at de opfylder brugernes behov. I denne forbindelse er målingen af detonation egenskaber af nyudviklede PAX-30 sammenlignet med PBXN-5, en traditionel højtydende eksplosive. Især måling af dens detonation velobyen og detonation pres, der er vigtige for verifikation af teoretiske modeller og ydeevne beregninger, er delt. PAX-30 blev udviklet til at erstatte ældre sprængstoffer såsom PBXN-5 ved hjælp af reaktiv aluminium.
Aluminium har en høj enthalpi oxidation såsom aluminium på en per molær basis:
2AL + 3/2 O 2 -> Al 2 O 3 (1670 kJ / mol)
Ved at tilføje aluminium i stedet for stød følsomme eksplosive ingredienser, er formuleringen gøres mere sikkert at eksterne chok og fare fornærmelser. Dette hjælper effektivt opfylde Ufølsom Ammunition (IM) United Nation krav, mens på samme tid at fastholde forestillingen nødvendig for militære applikationer. 2,3.4
Faciliteterne til at teste sådanne produkter er unikke og højt specialiserede. Nogle indledende tests udføres for at screene sprængstoffer før håndtering i store mængder. Tisse tests omfatter termisk karakterisering med differentiale (DSC) og virkning og friktion tests. For DSC test, er en lille testprøve opvarmes ved en konstant hastighed i en inert atmosfære, og mængden og retningen af varmestrømmen overvåges. For stød og friktion test prøven udsættes for fornærmelser fra en standardiseret faldende vægt (Bundesanstalt für Materialprüfung eller BAM Impact), og for den friktion test en standardiseret keramisk stift og plade (Bundesanstalt für Materialprüfung eller BAM Friction). 5
Når formuleringerne betragtes som sikkert for håndtering, yderligere opskalering opnås ved proprietære blandingsteknologier. Kort sagt, høje sprængstoffer falder i tre kategorier:
Smelt-cast, hvori bindemidlet er en smelte-fase-materiale som en voks, trinitrotoluen (TNT), dintroanisole (DNAN), eller et andet smelteligt materiale. Energiske eller brændstof faste stoffer kan indarbejdes med nøje overvejelse af parkel størrelse og kompatibilitet.
Cast-kur, ved hvilken bindemidlet er en støbelig polymer, såsom hydroxyl-polybutadien (HTPB), polyacrylat, eller andet epoxy-type plastic, som er flydende i sin uomsat tilstand, men ved indledningen størkner til et fast stof. Faste stoffer inkorporeres i matrixen under dens flydende tilstand.
Pressede, i hvilken faststofsindholdet er meget høj, ofte nærmer næsten 95 vægt-%, med et bindemiddel, der tilsættes til at overtrække de faste stoffer under anvendelse af en lak eller ekstruderingsproces.
Når presset eller støbt materialerne bearbejdes under anvendelse af standardmetoder til opnåelse af en korrekt geometri for en ønsket test. I dette papir, PAX-30 og PBXN-5 er højtydende pressede sprængstof. Formuleringerne sker gennem en opslæmning-coating proces, hvor energiske nitramine krystaller (HMX, RDX eller CL-20) og aluminium partikler er suspenderet i en vandig opløsning. En lak med proprietære bindemiddel iderefter tilsat s. Efter lak desuden de polymere coater eksplosive krystaller suspensionen opvarmes under vakuum for at uddrive opløsningsmidlet og partiklerne derefter filtreret og tørret. Granulatet-lignende partikler presses derefter til den ønskede konfiguration.
detonationshastighed
For at bestemme detonationshastigheden, må man overvåge ankomsten af detonationen foran i materialet. En detonation er defineret som en selvbærende øjeblikkelige stigning i tryk og temperatur, som er hurtigere end lydhastigheden i materialet. Det bliver selvbærende, når temperaturen og trykket er tilstrækkeligt til at tilvejebringe eksoterme reaktioner bag formerings reaktionen front. En sådan adfærd er realiseret ved inkorporering oxiderende dele, såsom nitrat grupper i visse materialer i formationen. To eksempler er kendt som RDX (cyclo-1,3,5-trimethylen-2,4,6-trinitramine) og HMX (cyclotetramethylenetetranitramine) er vist in Figur 1, som i det store og er de mest anvendte energiske materialer i USA DoD (Department of Defense). Bemærk oxygenbalancen af molekylerne, hvilket resulterer i selvpropagerende exoterm reaktion bag chok front.
Figur 1. RDX (cyclo-1,3,5-trimethylen-2,4,6-trinitramine, venstre) og HMX (cyclotetramethylenetetranitramine, højre). Klik her for at se en større version af dette tal.
En måde at bestemme hastigheden af detonationen forreste er at overvåge sin position som funktion af tiden. Fiber-optisk detonationshastighed (FODV) afprøvning udføres for at bestemme detonationshastigheden af et eksplosivt materiale. En akryl armatur er designet til at holde den eksplosive prøve, og find den optiskefibre på kendte afstande ned afgiften længde. Standarden test anvender en 5-tommer lang og 0,75 tommer eksplosive prøve diameter med fem totale optiske fibre; bunden fiber er placeret 0,50 tommer fra bunden af ladningen og hver successiv fiber ligger 1-tomme over den næste. De huller boret i akryl armaturet er to-aftrappede huller. hul med større diameter er dimensioneret til at passe til kernen og kappen af den optiske fiber og hul med mindre diameter tjener som et indelukket luftrum. Som detonationen skrider frem gennem den eksplosive prøve, trykbølgen exciterer det indesluttede luftrum producerer en kort, lyse flash, der kan observeres med fiberoptik.
De fiberoptik, der anvendes til denne test har en billig plast kerne. På grund af den destruktive karakter af testen og sammenhængen i luften chok, blev højere kvalitet fibre, ikke fundet at være nødvendig for at opretholde hastighed data af høj kvalitet. Testen facilitet på Picatinny Arsenalbruger summerede fotodioder til at oversætte lyset fra detonationen i spænding. Amplituden af spændingen spike er uden betydning i forbindelse med denne test. En 1-GHz oscilloskop er tilsluttet fotodiode opsummering boksen, selv om sampling rate er langt ud over hvad der er nødvendigt for denne test. De optiske fibre "toppe" kan enten bestemmes ved først stigning af signalet eller spidsværdier. Givet afstanden mellem optiske fibre og tidsforskellen mellem detonation ankomsten, er detonationshastighed derefter bestemt.
detonation Pressure
Detonationstryk estimeres ved at måle dent dybde i en standard stålplade resulterende fra den eksplosive s detonation. Dent dybder er godt korreleret med kendte trykværdier for en række eksplosive forbindelser. Normalt, da de fleste sprængstoffer tilfredsstille Chapman-Jouguet (CJ) betingelse for en detonation at forekomme, detonationen tryk omtales typisksom CJ pres, og det vil være fra dette punkt fremad i denne artikel. Ladningen samling er placeret på toppen af en stålplade, der kaldes en "vidne plade", og detonation resulterer i en bule i pladen. Den bule dybde på standard 0.75 tommer afgift diameter til mange eksplosive materialer med kendte detonationstryk sammenlignes derefter på prøve bule dybde. Detonation pres fra pladen bule er en pålidelig metode med mange års dokumenterede data for acceptable sammenhænge. Men en detonation er en dynamisk, hurtig kemisk reaktion, og i de senere år er det blevet ønskeligt at anvende værktøjer med højere opløsning for at observere det tryk-tid historie.
Til direkte at måle detonationstryk af en eksplosiv, kan Photonic Doppler Velocimetri (PDV) også anvendes. Denne laser interferometer system blev udviklet af Lawrence Livermore National Laboratory og udnytter en 1550 nm CW laser kilde. Ved at rette laseren på et bevægeligt mål end opsamling af Doppler-skiftet lys, den resulterende stødfrekvensen kan analyseres for at tilvejebringe en hastighed spor af målet. I modsætning til traditionelle high-speed fotografiske teknikker, disse velocity spor giver en kontinuerlig registrering af målets hastighed som funktion af tiden. Denne måleteknik har fået betydelig opmærksomhed i de sidste par år og er ved at blive allestedsnærværende i DoD og Department of Energy (DOE) eksplosive karakterisering laboratorier.
For at beregne CJ trykket af en ny eksplosiv, kan et PDV systemet, anvendes til at måle partiklens hastighed mellem sprængstof og en polymethylmethacrylat (PMMA) vindue. En meget tynd folie, sædvanligvis aluminium eller kobber, er placeret på denne grænseflade til at fungere som en reflekterende overflade. I disse undersøgelser blev kobber brugt. Denne folie skal være tynd nok til at forhindre signifikant trykbølge dæmpning samtidig være tyk nok til at forhindre detonation lys i at passere igennem. Typisk en folietykkelse1.000 Å er ideel til de fleste forsøgsopstillinger. Givet partiklens hastighed i PMMA og detonationshastigheden af sprængstoffet, kan detonationen tryk beregnes med Hugoniot chok matchende ligninger. 6
Mens FODV test på 0,75 "afgift diameter er en etableret standard på ARDEC, er PDV-baserede tests løbende undergår raffinement. Afhængigt af det eksplosive formulering, kan enten den ene eller begge prøver anvendes til at karakterisere detonationshastighed og detonation tryk.
Bemærk de beregnede trykforskelle mellem de to eksplosive formuleringer. De aluminiseret eksplosive udviser mindre tryk, delvist på grund af mindre nitramine (HMX) lastning, men også fordi aluminium reagerer med oxygen i de ekspanderende detonation gasser, hvilket resulterer i en mindre bule fra en nedre detonation tryk. Den PBXN-5 udøver en højere detonation pres på grund af sin højere indhold gas ved detonation i forhold til PAX-30 (36,2 mol / kg for PBXN-5 versus 33,1 mol / kg for PAX-30). Mere avancerede ligninger tilstand (EOS) afledt fra væg hastighedsmålinger bruges til at beskrive vilkårene for de eksplosive produkter til sådanne ekstreme temperaturer og tryk. 10,11 Dette vil være genstand for fremtidige manuskripter.
Det var tydeligt, at når tidlig reaktion af et metal i en eksplosiv opstår, den detekterede detonationshastighed er lavere, end hvis metallet ikke reagerer. Dette er noget ulogisk; enville forvente hastigheden at stige, hvis flere energi indskud i den ekspanderende detonation foran grundet exoterm reaktion af aluminium. Faldet i detonationshastighed skyldes løsninger på tryk-density Hugoniots. Det specifikke volumen (invers tæthed) Trykkamre isentrope betegner ændringer i som produkter fra detonationen udvide (fra venstre til højre i figur 9). 6. Udvidelsen isentrope repræsenterer de detonation produkter, der termodynamisk kan danne og udvide langs pres-specifikke kurve volumen . Under ekspansion, hvis aluminium reagerer til dannelse oxiderede arter, resulterer det i et samlet fald i densitet af gas og fører til en lavere hastighed. Dette kommer til udtryk i en udvidelse isentrope under opløsningen i den ikke-reaktive aluminium (figur 9). Da detonationshastigheden er tangenten skærer isentrope fra start tæthed på x-aksen, er det tydeligt, at detonationen velocity skal falde, når den aluminium i formuleringen reagerer.
Sammenfattende det amerikanske forsvarsministerium fortsætter til aktivt at fortsætte anvendt forskning og karakterisering af nye energiske materialer med både traditionelle og nye teknologier. I tilfældet med PDV, er det et værdifuldt værktøj, der kendetegner sprængstoffer med ekstrem nøjagtighed og giver forskerne med værdifuld indsigt i den eksplosive effektivitet. Denne hurtige test cyklus i høj grad reducerer omkostningerne og den nødvendige tid til formulering optimering og krav verifikation.
The authors have nothing to disclose.
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.
cylcotetramethylenetetranitramine | BAE | Class 5 | 1.1D, High Explosive |
Aluminum | Valimet | Proprietary | |
Viton | 3M | ||
Grease | Dow Corning | Sylgard 182 | Gap sealer |