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Engineering

Ricerca e sviluppo di esplosivi ad alte prestazioni

Published: February 20, 2016 doi: 10.3791/52950
Automatic Translation
1, 1, 2
1Detonation Physics Branch, US Army ARDEC, Picatinny Arsenal, 2Explosives Research Branch, US Army ARDEC, Picatinny Arsenal

ERRATUM NOTICE

Abstract

test di sviluppo di esplosivi ad alto potenziale per applicazioni militari coinvolge formulazione su piccola scala, test di sicurezza, e, infine, test di performance di detonazione per verificare calcoli teorici. su piccola scala per le formulazioni di nuova concezione, il processo inizia con miscele di piccola scala, test termici, e l'impatto e la sensibilità di attrito. Solo allora le successive formulazioni su scala più ampia procedere ai test di detonazione, che sarà coperto in questo documento. Recenti progressi nelle tecniche di caratterizzazione hanno portato a ineguagliabile precisione nella caratterizzazione dell'evoluzione precoce tempo di detonazioni. La nuova tecnica di foto-Doppler velocimetria (PDV) per la misura di pressione di detonazione e velocità sarà condiviso e confrontato con velocità di detonazione tradizionale fibra ottica e la piastra-dent calcolo della pressione di detonazione. In particolare, sarà discusso il ruolo di alluminio nella formulazione di un esplosivo. Recenti sviluppi hanno portato allo sviluppo di f esplosivoormulations che provocano la reazione di alluminio molto presto la espansione del prodotto detonazione. Questa reazione migliorato porta a cambiamenti nella velocità di detonazione e pressione dovuta alla reazione dell'alluminio con ossigeno nei gas prodotti in espansione.

Introduction

Sviluppo di esplosivi ad alto potenziale per l'uso militare comporta ampie considerazioni di sicurezza e le limitazioni di risorse a causa di requisiti dei centri di saggio. Allo US Army Armament ricerca e sviluppo e di comando Engineering (ARDEC), Picatinny Arsenal, esplosivi vengono valutati dal livello di ricerca attraverso il monitoraggio del ciclo di vita piena e smilitarizzazione. I nuovi esplosivi che sono più sicuri per la movimentazione, lo stoccaggio e il caricamento sono continuamente valutati, nel tentativo di fornire munizioni efficaci e sicuri per i combattenti. recente legge impone che, quando possibile, le munizioni insensitive (IM) linee guida ei requisiti sono seguiti. Pertanto, ogni volta nuovi esplosivi sono sintetizzati e formulati, test delle prestazioni è fondamentale per assicurare che soddisfino le esigenze degli utenti. In questo contesto, la misura di proprietà detonazione di recente sviluppato PAX-30 viene confrontato con il PBXN-5, un tradizionale esplosivo elevate prestazioni. In particolare, la misura del suo velo di detonazionecittà e di detonazione a pressione, che sono importanti per la verifica dei modelli teorici e calcoli delle prestazioni, è condivisa. Il PAX-30 è stato sviluppato per sostituire esplosivi legacy come PBXN-5 utilizzando alluminio reattiva.

Alluminio possiede una elevata entalpia di ossidazione alluminio su una base per molare:

2al + 3/2 O 2 -> Al 2 O 3 (1.670 kJ / mol)

Con l'aggiunta di alluminio al posto degli ingredienti esplosivi sensibili agli shock, la formulazione è reso più sicuro da urti e pericolo insulti esterni. Questo aiuta in modo efficace soddisfare Insensitive Munition (IM) requisiti Nazioni Unite, mentre allo stesso tempo mantenendo le prestazioni necessarie per le applicazioni militari 2,3.4.

Le strutture per testare tali articoli sono unici e altamente specializzato. Alcuni test iniziali sono eseguite a schermo esplosivi prima dell'uso in grandi quantità. Ttest ueste includono caratterizzazione termica con calorimetria differenziale a scansione (DSC) e prove di urto e attrito. Per le prove DSC, un campione piccolo viene riscaldato a una velocità costante in atmosfera inerte, e la quantità e la direzione del flusso di calore viene monitorata. Per prove di impatto e di attrito, il campione viene sottoposto ad insulti da un peso che cade standardizzato (Bundesanstalt fur Materialprüfung, o BAM Impact), e per la prova di attrito un perno in ceramica standardizzato e piatto (Bundesanstalt fur Materialprüfung, o BAM attrito). 5

Una volta che le formulazioni sono considerati sicuri per il maneggiamento, ulteriori scale-up viene realizzato tecnologie di miscelazione proprietarie. In breve, esplosivi ad alto potenziale si dividono in tre categorie:

Melt-cast, in cui il legante è un materiale fuso fase come una cera, tritolo (TNT), dintroanisole (DNAN), o altro materiale fusibile. solidi energetici o di carburante possono essere incorporate con un attento esame del pardimensione ticolo e compatibilità.

Cast-cure, in cui il legante è un polimero calcinabile, come polibutadiene idrossile terminali (HTPB), poliacrilato, o altro tipo epossidico plastica che è liquido nel suo stato non reagito, ma anche dopo l'inizio solidifica ad un solido. Solidi sono incorporati nella matrice durante il suo stato liquido.

Pressato, in cui il carico di solidi è molto elevata, spesso avvicinandosi quasi il 95% in peso, con un legante che viene aggiunto per rivestire i solidi utilizzando un processo lacca o estrusione.

Una volta premuto o cast, i materiali vengono lavorati usando metodologie standard per ottenere la geometria corretta per un test desiderato. In questo lavoro, PAX-30 e PBXN-5 sono ad alte prestazioni premuto esplosivi. Le formulazioni sono effettuati tramite un processo slurry-coating, in cui i cristalli nitramine energetici (HMX, RDX o CL-20) e alluminio particelle sono sospese in una soluzione acquosa. Una lacca con l'i raccoglitore proprietarias poi aggiunto. Al momento dell'aggiunta lacca, i cappotti polimeriche i cristalli esplosive, la sospensione viene riscaldata sotto vuoto per allontanare il solvente e le particelle vengono filtrati ed essiccati. Le particelle granulari come vengono poi pressati per la configurazione desiderata.

Detonation Velocity

Per determinare la velocità di detonazione, si deve monitorare l'arrivo del fronte di detonazione nel materiale. Una detonazione viene definita come una autosufficiente aumento istantaneo della pressione e della temperatura che è più veloce rispetto alla velocità del suono nel materiale. Diventa autosufficiente quando la temperatura e la pressione sono sufficienti a fornire reazioni esotermiche dietro il fronte di reazione di moltiplicazione. Tale comportamento è realizzata incorporando porzioni ossidanti quali gruppi di nitrati in certi materiali di formazione. Due esempi conosciuti come RDX (ciclo-1,3,5-trimetilene-2,4,6-trinitramine) e HMX (cyclotetramethylenetetranitramine) sono riportati in figura 1, che in generale sono i materiali energetici più utilizzati negli Stati Uniti DoD (Dipartimento della Difesa). Nota bilancio di ossigeno delle molecole, che si traduce nella reazione esotermica auto-propagazione dietro il fronte d'urto.

Figura 1
1. RDX (ciclo-1,3,5-trimetilene-2,4,6-trinitramine, a sinistra) Figura e HMX (cyclotetramethylenetetranitramine, a destra). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Un modo per determinare la velocità del fronte di detonazione è quello di monitorare la sua posizione in funzione del tempo. velocità di detonazione (FODV) test fibra ottica viene eseguita per determinare la velocità di detonazione di un materiale esplosivo. Un apparecchio acrilico è stato progettato per contenere il campione esplosivo, e individuare otticofibre a distanze conosciute giù la lunghezza di carica. Il test standard utilizza un 5 pollici di lunghezza per esempio esplosivo diametro di 0,75 pollici con cinque fibre ottiche totali; la fibra fondo si trova 0,50 pollici dal fondo della carica e ciascuna fibra successiva si trova 1 pollice sopra l'altro. I fori nel dispositivo acrilico sono due gradini-fori. Il foro diametro maggiore è dimensionato per adattarsi al nucleo e il rivestimento della fibra ottica e il foro di diametro inferiore funge da intercapedine confinato. Come la detonazione progredisce attraverso il campione esplosiva, l'onda d'urto prodotta eccita lo spazio aereo ristretto la produzione di un breve, lampo luminoso che si può osservare con le fibre ottiche.

Le fibre ottiche usate per questo test possiedono un nucleo di plastica poco costoso. A causa della natura distruttiva del test e la consistenza dello shock dell'aria, fibre di qualità superiore non sono risultati essere necessario mantenere i dati di velocità di alta qualità. L'impianto di prova a Picatinny Arsenalutilizza fotodiodi sommati per tradurre la luce dalla detonazione in tensione. L'ampiezza del picco di tensione non è importante ai fini di questa prova. Un oscilloscopio 1 GHz è collegato alla scatola di somma fotodiodo, anche se tale velocità di campionamento è molto al di là di quanto necessario per questo test. Le fibre "picchi" ottici possono essere fissati o da primo aumento dei valori di segnali o di picco. Data la distanza tra le fibre ottiche e la differenza di tempo tra l'arrivo di detonazione, velocità di detonazione è quindi determinato.

Detonation pressione

pressione di detonazione è stimata misurando la profondità ammaccatura in una risultante lamiera di acciaio standard dalla detonazione della esplosiva. profondità Dent sono ben correlati ai valori di pressione noti per una varietà di composti esplosivi. Di solito, poiché la maggior parte degli esplosivi soddisfano la condizione di Chapman-Jouguet (CJ) per una detonazione si verifichi, la pressione di detonazione è in genere di cuila pressione CJ, e sarà da questo punto in avanti in questo articolo. Il complesso di carica è posto sulla sommità di una piastra di acciaio, chiamato "piatto testimone", ed i risultati di detonazione in un incavo nella piastra. La profondità ammaccatura al diametro standard di carica da 0,75 pollici per numerosi materiali esplosivi con note pressioni di detonazione viene poi confrontata con la profondità di prova ammaccatura. pressione di detonazione per l'ammaccatura piatto è un metodo affidabile con molti anni di dati documentati per le correlazioni accettabili. Tuttavia, una detonazione è una reazione chimica dinamica veloce, e negli ultimi anni è diventato desiderabile utilizzare utensili con maggiore risoluzione per osservare la storia pressione-tempo.

Per misurare direttamente la pressione di detonazione di un esplosivo, Photonic Doppler Velocimetry (PDV) può anche essere usato. Questo sistema interferometro laser è stato sviluppato da Lawrence Livermore National Laboratory e utilizza una sorgente laser nm 1.550 CW. Orientando il laser a un bersaglio in movimentod raccogliere la luce, la frequenza di battimento risultante Doppler-shifted può essere analizzata per fornire una traccia di velocità del bersaglio. A differenza delle tecniche fotografiche tradizionali ad alta velocità, queste tracce di velocità forniscono una registrazione continua della velocità del bersaglio come una funzione del tempo. Questa tecnica di misurazione ha maturato una significativa attenzione negli ultimi anni e sta diventando onnipresente in DoD e Department of Energy (DoE) laboratori di caratterizzazione esplosivi.

Per calcolare la pressione CJ di un nuovo esplosivo, un sistema PDV può essere utilizzato per misurare la velocità delle particelle tra il esplosiva e una finestra polimetilmetacrilato (PMMA). Una pellicola molto sottile, generalmente alluminio o rame, è posto a questa interfaccia per agire come una superficie riflettente. In questi studi, è stato utilizzato il rame. Questa pellicola dovrebbe essere abbastanza sottile per evitare scosse significativa attenuazione dell'onda pur essendo abbastanza spessa da impedire alla luce di passare attraverso la detonazione. Tipicamente, uno spessore laminadi 1.000 Angstrom è ideale per configurazioni più sperimentali. Data la velocità delle particelle in PMMA e la velocità di detonazione dell'esplosivo, la pressione di detonazione può essere calcolato con le equazioni urti corrispondenza Hugoniot. 6

Mentre il test FODV a 0.75 diametro carica "è uno standard stabilito a ARDEC, test PDV-based sono continuamente in fase di perfezionamento. A seconda della formulazione esplosiva, uno o entrambi i test possono essere utilizzati per caratterizzare velocità di detonazione e pressione di detonazione.

Protocol

ATTENZIONE! La lavorazione, manipolazione, e la sperimentazione di esplosivi ad alto potenziale (Hazard Divisione classe 1 materiali) dovrebbero essere effettuate solo da personale addestrato e qualificato. Esplosivi ad alto potenziale sono sensibili agli urti, attrito, scariche elettrostatiche, e shock. Utilizzare solo strutture di ricerca e sviluppo approvati in grado di gestire grandi quantità di materiali di Classe 1.

1. ARDEC fibra ottica Detonation velocità di prova

  1. Tagliare fibra ottica alla lunghezza utilizzando frese in fibra ottica e bundle in gruppi di cinque cavi. Sulla base di geometrie della camera di prova site-specific, 15 metri di lunghezza sono tipicamente utilizzati. Striscia materiale rivestimento del cavo posteriore 15 mm su una estremità del fascio e 5 mm sull'altra estremità del fascio. Lucidare le estremità tagliate della fibra ottica con P800 carta vetrata grana per rimuovere eventuali sbavature.
    Nota: A causa della natura distruttiva di questo test, la fibra ottica di plastica è preferito. proprietà delle fibre ottiche sono come segue; Polimetilmetacrilato Resina(PMMA) materiale di base (980 micron di diametro), materiale di rivestimento fluorurati ai polimeri (1.000 micron di diametro), 1.49 nucleo indice di rifrazione, 0.5 apertura numerica.
  2. Misurare campione di prova e Composizione A-3 Tipo diametri II richiamo pellet, lunghezze, e le masse con un alto calibro precisione e l'equilibrio.
    Nota: Mentre la prova tipica utilizza diametro 1,905 centimetri per 2,54 cm di lunghezza pellets, la procedura di prova può essere utilizzato con qualsiasi pellet dimensione disponibile il dispositivo di plastica tiene il cavo in fibra ottica centrata su ciascun pellet. Per le prove in questo studio, sono stati utilizzati i 1.905 cm pellets di diametro.
  3. Caricare il pellet esplosivi, uno per uno, nel dispositivo di plastica espandendo diametro interno del tubo mediante indiscreti slot aperto. Registra numeri pellet esplosivi e posizioni nel dispositivo. Quindi caricare il pellet innesco nel tubo dalla parte superiore dell'apparecchio.
  4. Posizionare titolare detonatore acrilico sopra il pellet di richiamo.
    Nota: RP-502 Esplodere Bridgewire detonatori(EBWs) sono tipicamente utilizzati. Altri detonatori potrebbero essere sostituiti, anche se sarebbe necessario ricalibrazione del test.
  5. Inserire le estremità esposte più brevi (5 mm) delle fibre ottiche nei fori due gradini del dispositivo di prova velocità di detonazione.
    Nota: i fori due fasi assicurano c'è aria sufficiente per la ionizzazione al passaggio del fronte di detonazione che porta ad un segnale forte. I fori per il fissaggio devono avere un diametro 0,021 pollici da foro interno 0.020 lunghezza contro l'esplosivo ed un foro di diametro 0,042 pollici per l'inserimento della fibra ottica. Se si utilizzano fibre di plastica, leggera carteggiatura del diametro esterno della fibra ottica può essere necessario a seconda entrambe tolleranze del diametro della fibra e dispositivo di prova. Assicurarsi che la fibra ottica è completamente inserito (seduto sul gradino nel foro due gradini).
  6. Colla / resina epossidica le fibre in atto. Utilizzare 5 min epossidica per questo protocollo.
  7. Quando la colla che tiene le fibre si è completamente guarito, posizionare il acrilicotubo ic contenente i pellet esplosive sulla parte superiore della piastra di acciaio testimone. Fissare il dispositivo di testo alla piastra di acciaio o con un peso su di esso o nastro. Assicurarsi che non vi è un traferro tra la superficie inferiore dell'ultima pellet esplosiva e la piastra testimone di acciaio.
  8. Epossidico 360 ° intorno al dispositivo di prova, aderendo alla piastra testimone. Dopo che la resina epossidica è completamente indurito, posizionare il detonatore nel supporto detonatore che è nella parte superiore del dispositivo di prova e fissarlo in posizione con nastro.
  9. Trasportare il dispositivo di prova per la camera di prova e inserire le estremità più esposte (15 mm) delle fibre ottiche in area fotodiodo sommando. Collegare la scatola sommando fotodiodo, o altro metodo di acquisizione dei dati, a seconda dei casi, di un oscilloscopio (1 GHz di larghezza di banda è più che sufficiente).
  10. Collegare una linea di tiro per la RP-80 detonatore. Chiudere tutti i dati obbligatori porte / porte / ecc e condurre operazioni di blocco della zona per test esplosivo di impianto di cottura (sprocedure operative tandard) POS.
  11. Confermare le impostazioni di innesco, di tensione / divisione, tempo / divisione oscilloscopio. Collegare il trigger dalla fireset alta tensione con una soglia di scatto di 3,0 V per un canale dell'oscilloscopio. Collegare la scatola fotodiodo somma di un secondo canale sul oscilloscopio. Impostare entrambi i canali a 5 V / divisione e la base dei tempi di 5 msec / divisione, con una regolazione ritardo di -20 msec.
  12. Detonare l'articolo via fireset ad alta energia.
  13. Misurare i picchi corrispondenti al tempo tra l'uscita del box fotodiodo somma. Dal tracciato schermo dell'oscilloscopio, utilizzare tensioni di picco per determinare i tempi specifici, anche se primo aumento può essere un indicatore migliore a seconda delle apparecchiature utilizzate.
  14. Calcolare velocità di detonazione dai cinque punti temporali acquisiti dall'oscilloscopio. Poiché la distanza di ogni fibra ottica è noto, calcolare la velocità di detonazione dividendo la distanza tra ogni pin dal tempo tra ogni picco (diposizione / tempo = velocità). sono entrambi segnalati alla media e la deviazione standard.
  15. Calcolare la profondità del dente nella piastra testimone acciaio posizionando un cuscinetto di acciaio calibrato nel dente per trovare il livello minimo, e quindi un profondimetro utilizzato per determinare la profondità.

2. Foto velocimetria Doppler

  1. Macchina una finestra PMMA dimensionato al diametro della carica esplosiva di circa 6,5 ​​millimetri di spessore. Assicurarsi che la finestra è otticamente trasparente e privo di qualsiasi difetto di lavorazione. Per fare questo prendere un otticamente trasparente foglio del cast in acrilico e lavorazione i dischi utilizzando un laser cutter o simile processo di lavorazione. Poi, utilizzare getti d'acqua per ottenere una superficie otticamente trasparente.
  2. Assicurarsi che lo spessore foglio di alluminio non supera i 0.005 "secondo le specifiche del produttore. Se la superficie della lamina è incontaminata (speculari), Passeggiate per la superficie con un cuscinetto a sfera in acciaio inox sabbiato. A diffusi i risultati di superficie in bac laser ottimalek riflessione, anche quando l'allineamento è un po 'fuori.
  3. Utilizzare un sottile, otticamente trasparente, nastro adesivo a base acrilica di apporre il foglio di alluminio alla finestra in PMMA. Assicurarsi che non ci siano bolle d'aria tra il PMMA e l'alluminio.
  4. Misurare le esplosivi diametri campione pellet, lunghezze, e le masse. Utilizzare pinze ad alta precisione e l'equilibrio.
  5. Fissare l'esplosivo pellet di prova per l'altro a formare una carica continua, compresi gli eventuali booster (se necessario). Applicare grasso ad ogni interfaccia esplosiva in fase di montaggio per ridurre al minimo vuoti d'aria alle interfacce pellet.
  6. Mount perni velocità di detonazione in un apparecchio in acrilico. Questi possono essere sia fibre ottiche o perni piezoelettrici. Le posizioni dei perni rispetto alla carica devono essere note.
  7. Fissare il supporto del perno velocità di detonazione acrilico alla carica. Il nastro è sufficiente per tenere il supporto del perno acrilico alla carica. Tipicamente, le posizioni fibra / pin sono più vicino al fondo della ch esplosivaARGE tale che stabile detonazione stato può essere osservato.
  8. Fissare il detonatore alla carica. Invertire la carica assemblato e stabilizzare in questo orientamento per preparare per l'apposizione della finestra PMMA. Mettere una piccola quantità di grasso sulla faccia esplosivo per evitare bolle d'aria all'interfaccia alluminio / esplosivo.
  9. Fissare il lato di un foglio di finestra in PMMA per la carica esplosiva. Se la finestra e la carica sono concentrici, utilizzare il nastro circonferenziale. In caso contrario, il nastro lungo l'asse della carica esplosiva.
  10. Una volta che la finestra di PMMA è fissato saldamente alla carica esplosiva, apporre il supporto acrilico della sonda PDV alla finestra in PMMA con nastro adesivo. Inserire la sonda PDV nel supporto della sonda PDV.
  11. Allineare la sonda PDV nel supporto con un misuratore di back-riflessione. Questo dispositivo emette un raggio laser a bassa potenza e misura l'ampiezza di back-riflessione. Un back-riflessione di -10 dBm a -20 dBm è auspicabile. Epossidico la sonda PDV in atto una volta che la riflessione posteriore è stato determinato per essereottimale.
  12. Posizionare l'elemento di prova nella camera e collegare entrambi i fili velocità di detonazione (fibra ottica o piezoelettrico) e la fibra PDV. Collegare una linea di tiro di un RP-80 detonatore. porte si chiudono tutte le richieste / porte / etc. e condurre operazioni zona di blocco per esplosivi SOP test di accensione della struttura.
  13. Confermare le impostazioni di innesco, di tensione / divisione, tempo / divisione oscilloscopio. Confermare le impostazioni di sistema PDV. Osservare laser di segnale e ampiezze laser riferimento e modificare, se necessario.
  14. Detonare l'articolo via alta fireset energia. Salva tracce oscilloscopio sia per i dati PDV e dati di velocità di detonazione.
  15. Analizzare i dati PDV in rilevanti programmi di analisi dei dati. Il segnale PDV crudo deve essere elaborato utilizzando un Fast Fourier Transform (FFT) pacchetto di analisi basato.
    Nota: Osservando il contenuto in frequenza del segnale grezzo, e conoscendo la frequenza iniziale della sorgente luminosa (1.550 nm), il pacchetto di analisi FFT produce uno spettrogramma velocità che tramala velocità registrata in funzione del tempo. In questo caso, PlotData, un proprietario United States Department of Energy interfaccia utente grafica (GUI), viene utilizzato in combinazione con il software LabView per effettuare la FFT. Tuttavia, molti pacchetti di analisi disponibili in commercio esistono che sono in grado di svolgere tali compiti.
  16. Calcolare velocità di detonazione dai cinque punti temporali acquisiti dall'oscilloscopio. Poiché la distanza di ogni fibra ottica è noto, la velocità di detonazione è calcolato dividendo la distanza tra ogni pin dal tempo tra ogni picco (distanza / tempo = velocità). La deviazione media e standard viene segnalato.

Representative Results

Una configurazione tipica per PDV è illustrata nelle figure 2 e 3, mentre la configurazione FODV è mostrato in figura 4. Dopo la detonazione, le piastre ammaccatura risultanti da colpi FODV tradizionali sono mostrati in figura 5, con i risultati di posizione / tempo di PAX-30 e PBXN-5 in Figura 6. Entrambi i materiali possiedono velocità di detonazione simili (la pendenza della linea), con PAX-30 ~ 0.4 msec / mm più lento. Mentre non può sembrare una differenza significativa, è infatti in luce del fatto che PAX-30 possiede quasi il 20% in meno di riempimento esplosiva peso. velocità di detonazione non è la prova conclusiva di quantificare la reazione dell'alluminio nella o immediatamente dopo il fronte di detonazione, ma può dare una valutazione preliminare di reazione dell'alluminio.

figura 2
Figura 2. Una tipica configurazione PDV. Le palline esplosive o bastoni colato sono impilati. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3. installazione di PDV (vista vicina). L'impostazione PDV alla base dove si trova la piastra volantino. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4. FODV di impostazione. Il bastone è incollato con resina epossidica sulla piastra testimone d'acciaio per assicurare un solido contatto e posizione eretta durante l'installazione. Il detonatore e richiamo sono in cima del bastone. = "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig4large.jpg" target = "_ blank"> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5
Figura 5. Dent dalla prova FODV. La Dent viene misurato con un calibro di profondità calibrato o un profilometro. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6
Figura 6. Calcoli dei tassi di detonazione. Ogni punto di dati è dai perni in fibra ottica nella configurazione FODV. PAX-30 R 2 = 0,999,717 mila, RMSE (radice errore quadratico medio) = 0,519,693 mila; PBXN-5 R 2 = 0,998,778 mila, RMSE = 1,342,272 mila.om / files / ftp_upload / 52950 / 52950fig6large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Esplosivo n Detonation Velocity (mm / msec) CJ pressione
(GPa, Piatto Dent) 		CJ pressione
(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

Tabella 1. Rendimento da esperimenti. N è il numero totale di test, ciascuno con 5 perni in fibra ottica. La pressione PDV CJ è composto di un solo test.

il uscita dalla traccia PDV della piastra volantino dal fondo della carica esplosiva delle figure 2-3 è mostrato in Figura 7. Le oscillazioni nascono dal ronzio la placca dalla rapida accelerazione a quasi 4-5 km / sec. La pressione CJ è calcolata a partire modellazione del Hugoniot gas prodotto con approssimazione di Cooper, 6 e quindi estrapolando il punto CJ una volta che il Hugoniot esplosiva alluminio è abbinato. Una stampa schermata tipica di un tale calcolo è illustrato nella figura 8. La tecnica ha ancora alcune limitazioni in quanto i calcoli assumono una estrapolazione accelerazione lineare dall'inizio della velocità volantino. Il risultato leggermente sottovalutare la pressione, come evidenziato dai risultati (Tabella 1). Il lavoro è in corso per sviluppare nuove equazioni per soddisfare l'accelerazione iniziale del piatto volantino.

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Figura velocità 7. Piastra in funzione del tempo per la misurazione della pressione CJ nella PBXN-5 esplosivo. Si noti l'eccellente accordo tra due inquadrature diverse, dove le tracce praticamente cadono gli uni sugli altri. Fai clic qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 8
Figura 8. Calcolo della pressione CJ dai dati di targa volantino di rame sul esperimento PDV. Si noti che l'estrapolazione assume un'accelerazione lineare nella spinta iniziale della piastra volantino che attualmente porta a una sottostima della pressione CJ. Cliccate qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. </ A>

Figura 9
Figura 9. Rappresentazione dei isentropes espansione per Alluminio reagito e non reagito nei prodotti detonazione. Le rette blu sono le soluzioni tangenti che sono proporzionali alla velocità di detonazione. Nota la soluzione Al prodotti reagito forzare la velocità di detonazione ad essere inferiore rispetto alla soluzione che non ha reagito Al. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Discussion

Notare le differenze di pressione calcolate tra le due formulazioni esplosive. I reperti esplosive alluminizzati meno pressione, parzialmente dovuto meno nitramine (HMX) caricamento, ma anche perché l'alluminio reagisce con l'ossigeno nei gas di detonazione espansione, che si traduce in un dente più piccolo da una pressione di detonazione inferiore. Il PBXN-5 esercita una pressione di detonazione superiore a causa del suo elevato contenuto di gas di detonazione rispetto al PAX-30 (36,2 moli / kg per PBXN-5 contro 33,1 moli / kg per PAX-30). Più equazioni avanzate di stato (EOS) derivato da misure di velocità a parete sono usati per descrivere le condizioni dei prodotti esplosivi a temperature e pressioni estreme. 10,11 Questo sarà oggetto di manoscritti futuri.

Era evidente che quando si verifica la reazione iniziale di un metallo in un esplosivo, la velocità di detonazione rilevato è inferiore se il metallo non reagisce. Questo è un po 'controintuitivo; unosi aspetta la velocità di aumentare se più depositi di energia nella parte anteriore di detonazione in espansione a causa della reazione esotermica di alluminio. La diminuzione della velocità di detonazione deriva da soluzioni ai Hugoniots pressione densità. Il volume specifico (densità inversa) a pressione positiva isentrope denota variazioni come prodotti dalla detonazione espandono (da sinistra a destra in figura 9). 6 La isentrope espansione rappresenta quei prodotti detonazione che può termodinamicamente formare ed espandere lungo la curva volume specifico pressione . Nel corso dell'espansione, se l'alluminio reagisce formando specie ossidate, si traduce in una diminuzione complessiva della densità del gas e conduce ad una velocità inferiore. Questo si manifesta in un isentrope espansione sotto la soluzione per l'alluminio non reattivo (Figura 9). Poiché la velocità di detonazione è tangente interseca il isentrope dalla densità di partenza sulla asse x, è evidente la detonazione veLocity deve diminuire quando l'alluminio nella formulazione reagisce.

In sintesi, il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti continua a perseguire attivamente la ricerca applicata e la caratterizzazione di nuovi materiali energetici con entrambe le tecnologie tradizionali e innovative. Nel caso del PDV, è uno strumento prezioso che caratterizza esplosivi con estrema precisione e fornisce ai ricercatori informazioni preziose sull'efficacia esplosivo. Questo ciclo di prova rapida riduce notevolmente i costi e il tempo necessario per l'ottimizzazione formulazione e requisiti di verifica.

Disclosures

DISTRIBUZIONE A: approvato per il rilascio pubblico; la distribuzione è illimitata. Gli autori non hanno nulla da rivelare.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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  11. 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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Ingegneria esplosivi Detonazione Testing fibra ottica foto velocimetria Doppler

Erratum

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

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

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.

Ricerca e sviluppo di esplosivi ad alte prestazioni
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Cornell, R., Wrobel, E., Anderson,… More

Cornell, R., Wrobel, E., Anderson, P. E. Research and Development of High-performance Explosives. J. Vis. Exp. (108), e52950, doi:10.3791/52950 (2016).

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