Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Yüksek performanslı Patlayıcılar Araştırma ve Geliştirme

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

askeri uygulamalar için yüksek patlayıcıların gelişimsel testler küçük ölçekli formülasyonu, güvenlik testleri, ve teorik hesaplamaları doğrulamak için nihayet patlatma performans testlerini içerir. Yeni geliştirilen formülasyonlar için küçük ölçekli, süreç küçük ölçekli karışımları, termal test ve darbe ve sürtünme hassasiyet ile başlar. Ancak o zaman bir sonraki büyük ölçekli formülasyonları bu yazıda ele alınacaktır patlama testi, devam yapmak. Karakterizasyon tekniklerindeki gelişmeler patlamalara erken zamanlı evrim karakterizasyonu benzersiz hassas yol açmıştır. patlama basıncı ve hız ölçümü için foto-Doppler (PDV) yeni bir teknik paylaşılan ve patlama basıncının geleneksel fiber optik patlama hızı ve plaka göçük hesaplama ile mukayese edilecektir. Özel olarak, patlayıcı formülasyonlarda alüminyum rolü tartışılacaktır. Son gelişmeler, patlayıcı f gelişmesine yol açmıştırÇok erken patlama ürün genişleme alüminyumun reaksiyona neden ormulations. Bu geliştirilmiş Reaksiyon bağlı genişleyen gaz ürünleri oksijen ile alüminyum reaksiyona patlatma hızı ve patlatma basıncı değişikliklere yol açar.

Introduction

askeri kullanım için yüksek patlayıcıların geliştirilmesi kapsamlı güvenlik hususları ve test tesisi gereksinimleri nedeniyle kaynak sınırlamaları içerir. ABD Ordusu Silahlanma Araştırma ve Geliştirme ve Mühendislik Komutanlığı (ARDEC), Picatinny Arsenal'de, patlayıcı dolu yaşam döngüsü izleme ve sivilleşme yoluyla araştırma düzeyinde değerlendirilmektedir. taşınması, depolanması ve yükleme için daha güvenli olan yeni patlayıcılar sürekli Warfighter için etkili ve güvenli mühimmat sağlamak amacıyla değerlendirilir. Son yasa mümkünse duyarsız Mühimmat (IM) yönergeleri ve şartlar takip edilmektedir belirler. Bu nedenle, her yeni patlayıcılar sentezlenir ve formüle edilmiş, performans testleri de kullanıcı gereksinimlerini karşılamak sağlamak için her şeyden önemlidir. Bu bağlamda, yeni geliştirilen PAX'de-30 patlatma özelliklerinin ölçümü PBXN-5, geleneksel bir yüksek performanslı patlayıcı ile karşılaştırılır. , patlama Velo Özellikle, ölçümdeteorik modeller ve performans hesaplamaları doğrulanması için önemli olan şehir ve patlama basıncı, paylaşılır. PAX-30 reaktif alüminyum kullanılarak böyle PBXN-5 olarak eski patlayıcı yerine geliştirilmiştir.

Alüminyum molar bazında alüminyum gibi yüksek bir oksitleme toplu ısısına sahiptir:

2AL + 3/2 O 2 -> Al 2 O 3 (1670 kJ / mol)

Şok duyarlı patlayıcı maddeler yerine alüminyum ekleyerek, formülasyon dış şok ve tehlike hakaret daha güvenli hale getirilir. Aynı anda askeri uygulamalar için gerekli performansı korurken Bu etkili Duyarsız Mühimmat (IM) Birleşmiş Milletler gereklerini yerine yardımcı olur. 2,3.4

tesisler gibi öğeler benzersiz ve son derece uzmanlaşmış test etmek. Bazı ilk testler büyük miktarlarda dokunmadan önce patlayıcı ekrana yapılmaktadır. These testler diferansiyel tarama kalorimetrisi (DSC) ve darbe ve sürtünme testleriyle termal karakterizasyonu. DSC deneyleri için, küçük bir deney numunesi, bir atıl atmosfer içinde sabit bir hızda ısıtılır ve ısı miktarı ve akış yönü izlenir. Darbe ve sürtünme testleri için örnek bir standart düşen ağırlık (Bundesanstalt kürk Materialprüfung veya BAM Etki) hakaretine maruz ve sürtünme testi standart seramik pim ve plaka (Bundesanstalt kürk Materialprüfung veya BAM Sürtünme) için. 5

formülasyonlar kullanım için güvenli kabul edildikten sonra, daha fazla ölçek büyütme tescilli karıştırma teknolojileri ile gerçekleştirilir. Kısacası, yüksek patlayıcılar üç kategoriye ayrılır:

Bağlayıcı, bir mum gibi bir eriyik faz maddesi olduğu, döküm, Eriyik-trinitrotoluen (TNT), dintroanisole (DNAN) ya da diğer eriyebilen malzeme. Enerjik veya yakıt katı par dikkatli dikkate alınarak dahil edilebilirTICLE boyutu ve uyumluluk.

Bu da reaksiyona girmemiş halde, sıvı, ancak başlatılması üzerine bir katı halinde katılaşan hidroksil-sonlu polibütadien (HTPB), poliakrilat veya başka epoksi tipi plastik bağlayıcı dökülebilir bir polimer olduğu, döküm-Tedavi,,. Katılar, sıvı hal esnasında matris içine dahil edilir.

Katılar, yükleme kaplamak için bir lak ya da kalıptan çekme işlemi kullanılarak katı eklenen bir bağlayıcı ile birlikte, çoğu zaman ağırlıkça yaklaşık% 95 yaklaşırken, çok yüksek olan preslenecek.

Bir kez basıldığında veya döküm, malzeme istenen test için uygun geometriyi elde etmek için standart yöntemler kullanılarak işlenir. Bu yazıda, PAX-30 ve PBXN-5 yüksek performanslı patlayıcıları preslenmiş vardır. Formülasyonlar enerji nitramine kristalleri (HMX, RDX ya da Cı-20) ve alüminyum partikülleri bir sulu çözelti içinde süspansiyona alınmış olan bir bulamaç kaplama işlemi yoluyla yapılır. özel bağlayıcı i ile lakes daha sonra eklenir. cila Ekleme üzerine, polimer kaplamalar patlayıcı kristaller, süspansiyon çözücüyü çıkarmak için vakum altında ısıtılır ve tanecikler daha sonra filtre edilir ve kurutulur. granül benzeri partiküller daha sonra arzu edilen konfigürasyona bastırılır.

Patlama Hızı

patlatma hızı belirlemek için, bir malzeme patlatma cephesinin varışını izlemek gerekir. Bir patlama malzeme ses hızından daha hızlı basınç ve sıcaklık bir kendi kendini idame ettirebilen anlık artış olarak tanımlanır. sıcaklık ve basınç yayılan reaksiyon cephesinin arkasında ekzotermik reaksiyonlar sağlamak için yeterli bir kez kendi kendine yeten olur. Bu davranış, içinde bulunan bazı maddelerin nitrat grupları gibi oksitleyici kısımları dahil edilmesiyle gerçekleştirilir. RDX (siklo-1,3,5-trimetilen-2,4,6-trinitramin) ve HMX (siklotetrametilentetranitramin) olarak bilinen iki örnekleri arasında gösterilmektedirn ve büyük ABD Savunma Bakanlığı en çok kullanılan enerjik malzemeleri (Savunma Bakanlığı) olan Şekil 1. şok cephesinin arkasında kendi kendine yayılan ekzotermik reaksiyon ile sonuçlanan moleküllerin oksijen dengesini, unutmayın.

Şekil 1
Şekil 1. RDX (siklo-1,3,5-trimetilen-2,4,6-trinitramin, sol) ve HMX (siklotetrametilentetranitramin, sağda). Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

patlatma cephesinin hızını belirlemek için bir zaman fonksiyonu olarak konumunu izlemek için. Fiber optik patlatma hızı (FODV) testi, bir patlayıcı madde patlatma hızı belirlemek için gerçekleştirilir. Akrilik fikstür patlayıcı örnek tutun ve optik bulmak için tasarlanmıştırŞarj uzunluğu aşağı bilinen mesafelerde lifler. standart test beş toplam fiber optik ile 0.75-inç çaplı patlayıcı örnek tarafından uzun bir 5-inç kullanır; Alt elyaf yükün altından 0.50 inç bulunan ve birbirini izleyen her elyaf 1 inç aşağıdaki üzerinde yer almaktadır. akrilik fikstür delinmiş delikler iki basamaklı delik vardır. büyük çaplı delik optik fiber çekirdek ve kaplama sığacak büyüklükte ve küçük çaplı bir delik kapalı bir hava boşluğu olarak hizmet vermektedir. patlama patlayıcı numune boyunca ilerledikçe, üretilen şok dalgası fiber optik ile görülebilir kısa, parlak flaş üreten sınırlı hava sahasını heyecanlandırıyor.

Bu test için kullanılan fiber optik ucuz bir plastik çekirdek sahiptirler. Nedeniyle testin yıkıcı doğası ve hava şoku tutarlılığı, daha kaliteli lifler yüksek kalitede hız verilerini korumak için gerekli olduğu tespit edilmemiştir. Picatinny Arsenal test tesisigeriliminden içine patlama ışık çevirmek için toplanır fotodiyotlar kullanır. gerilim sıçramasını genliği bu testin amaçları için önemli değildir. Bu örnekleme oranı kadar bu test için gerekenin ötesine olmasına rağmen A 1 GHz osiloskop, fotodiyot özetleme kutusuna bağlanır. optik elyaf "tepeler" ya sinyal veya tepe değerlerin birinci artış ile tespit edilebilir. Optik fiberler ve patlatma varış arasındaki zaman farkı arasındaki mesafe göz önüne alındığında, patlama hızı daha sonra belirlenir.

Patlama Basıncı

Patlama basıncı Patlayıcı patlama standart bir çelik levha bileşkesi olarak göçük derinliği ölçülerek tahmin edilmektedir. Dent derinlikleri de patlama bileşiklerin çeşitli bilinen basınç değerlerine ilişkilidir. En patlayıcı bir patlama meydana gelmesi için Chapman-Jouguet (CJ) koşulunu sağlayan beri Genellikle, patlama basıncı genellikle denirCJ basınç ve bu makalede bu noktadan sonra olacaktır. Şarj düzeneği "tanık plaka" olarak adlandırılan bir çelik levha, ve plaka bir girintiye patlatma sonuçlarını üstüne yerleştirilir. Bilinen patlama basınçları ile çok sayıda patlayıcı malzemeler için standart 0.75-inç şarj çapında göçük derinliği daha sonra test göçük derinliği ile karşılaştırılır. plaka göçük tarafından Patlama basıncı kabul edilebilir korelasyon için dokümante verilerin uzun yıllar güvenilir bir yöntemdir. Ancak, patlama dinamik, hızlı kimyasal reaksiyon olduğunu ve son yıllarda bu basınç-zaman geçmişini gözlemlemek için daha yüksek çözünürlüğe sahip araçlar kullanılması tercih haline gelmiştir.

şirketinden Bir patlayıcı maddenin patlama basıncı ölçmek için, Fotonik Doppler Hızlarının (PDV) de kullanılabilir. Bu lazer interferometre sistemi Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı tarafından geliştirilen ve bir 1550 nm CW lazer kaynağı kullanır oldu. hareketli bir hedef bu bir ortalama lazer yönlendirerekD Doppler kaydırılır ışık, elde edilen atım frekansı toplama hedefin bir hız izini sürmek için analiz edilebilir. geleneksel yüksek hızlı çekim teknikleri farklı olarak, bu hız izleri, zamanın bir fonksiyonu olarak hedef hızının sürekli kaydını sağlar. Bu ölçüm tekniği son yıllarda önemli ilgisini topladı ve Savunma Bakanlığı ve Enerji Bakanlığı (DOE) patlayıcı karakterizasyon laboratuvarı her yerde oluyor.

Yeni bir patlama CJ basıncının hesaplanması için, bir PDV sistemi Patlayıcı bir polimetil metakrilat (PMMA) pencere arasında parçacık hızını ölçmek için kullanılabilir. Çok ince bir folyo, genellikle alüminyum ya da bakır, yansıtıcı bir yüzey gibi hareket için bu ara yüzeyde yer alır. Bu çalışmalarda, bakır kullanılmıştır. Bu folyo boyunca geçmesini patlatma ışık önleyecek kadar kalın olurken belirgin bir şok dalgası azalmasını önlemek için yeterince ince olmalıdır. Tipik olarak, bir folyo kalınlığı1000 angström en deneysel kurulumları için idealdir. PMMA parçacık hızı ve patlayıcı patlama hızı göz önüne alındığında, patlama basıncı Sismik hızlardan türetilen şok eşleşen denklemler ile hesaplanabilir. 6

0.75 "şarj çapında FODV testi ARDEC de kurulmuş bir standart olmakla birlikte, PDV-temelli testler sürekli arıtma geçiyor. Patlayıcı formülasyonuna bağlı olarak, bir veya her iki test patlatma hızı ve patlama basıncı karakterize etmek için kullanılabilir.

Protocol

DİKKAT! yüksek patlayıcı işleme, taşıma ve test (Tehlike Bölümü Sınıf 1 malzemeler) yalnızca eğitimli ve kalifiye personel tarafından yapılmalıdır. Yüksek patlayıcı etkisi, sürtünme, elektrostatik deşarj ve şoka duyarlıdır. Sadece Sınıf 1 malzemelerin büyük miktarlarda işleyebilir onaylanmış araştırma ve geliştirme imkanları kullanmak.

1. ARDEC Fiber-optik Patlama Hızı Testi

  1. fiber-optik kesiciler kullanarak uzunluğuna optik fiber kesin ve beş kablo setleri paket. site-spesifik test odası geometrileri dayanarak, 15 metre uzunlukları genellikle kullanılır. Şerit kablo ceket malzemesi demetinin bir ucunda ve demetinin diğer ucunda 5 mm geri 15 mm. çapakları kaldırmak için P800 zımpara kağıdı ile fiber optik kesim uçlarını parlatın.
    Not: Bu nedenle test yok edici niteliği, plastik optik fiber tercih edilir. aşağıdaki gibi fiber optik özellikler şunlardır; Polimetil Metakrilat Reçine(PMMA) çekirdek malzemesi (980 mikron çapında), fluorinatlı Polimer kaplama malzemesi (1,000 mikron çapında), 1.49 çekirdek kırılma indeksi, 0.5 sayısal diyafram.
  2. yüksek bir doğruluk kumpas ve denge kullanarak test örneği ve Kompozisyon A-3 Tip II yükseltici pelet çapları, uzunlukları ve kitleleri ölçün.
    Not: Tipik test 2.54 cm uzunluğunda peletler ile 1.905 cm çaplı kullanırken, test prosedürü plastik armatürü, her topak merkezli fiber optik kablo tutar Resim herhangi bir boyut pelet ile kullanılabilir. Bu çalışmada, test için, 1.905 cm çapında peletler kullanılmıştır.
  3. açık yuvayı meraklı yoluyla tüpün iç çapı genişleyen plastik fikstür içine patlayıcı granül, teker teker, yükleyin. Tutanak patlayıcı pelet numaraları ve fikstür yerleri. Sonra fikstür üst tüp içine güçlendirici pelet yerleştirin.
  4. güçlendirici pelet üstüne akrilik patlatıcı tutucu yerleştirin.
    Not: RP-502 Patlayan Bridgewire ateţleyicilerimi(EBWs) tipik olarak kullanılır. Testin yeniden kalibrasyon gerekli olacaktır, ancak diğer kapsüller, sübstitüe edilmiş olabilir.
  5. patlama hızı, deneme bağlantı teferruatı iki basamaklı deliklere optik fiberlerin daha kısa maruz kalan uçlar (5 mm) yerleştirin.
    Not: İki aşamalı delik yeterli hava güçlü bir sinyal yol açar patlatma ön geçişi üzerine iyonlaşma için olduğundan emin olunuz. fikstür için delikler patlayıcı karşı 0.020 uzunluk iç delik tarafından bir 0.021 inç çap ve fiber-optik yerleştirilmesi için 0.042 inç çapında bir delik olmalıdır. Plastik lifler kullanıldığında, fiber optiğin dış çapından hafif zımpara iki elyaf çapı ve test fikstürü toleransları bağlı olarak gerekli olabilir. fiber optik tam olarak takıldığından emin olun (iki basamaklı delik adım oturmuş).
  6. Tutkal / Epoksi yerinde lifler. Bu protokol için 5 dk epoksi kullanın.
  7. lifleri tutan epoksi tamamen kürünü tamamladıktan sonra akrilik konumlandırmakÇelik tanık plakanın üstünde patlayıcı topakları içeren ic tüp. bunun üstüne ya da kasette bir ağırlık ile ya çelik levha metin fikstür sabitleyin. Son patlayıcı pelet alt yüzeyi ve çelik tanık plakası arasında bir hava boşluğu olmadığından emin olun.
  8. Tanık plakaya bağlı kalarak, sınav fikstür etrafında 360 ° epoksit. epoksi tam kürünü sonra test fikstür üst kısmında patlatıcı tutucuya patlayıcıyı yerleştirin ve bant ile yerine sabitleyin.
  9. Test odasına Test fikstürü taşıma ve fotodiyot toplanmasıyla kutu içine optik fiberlerin daha açık uçları (15 mm) yerleştirin. bir osiloskop, uygun şekilde, fotodiyot toplanmasıyla kutu, ya da diğer veri toplama yöntemi bağlayın (1 GHz bant genişliği fazlasıyla yeterli olduğunu).
  10. RP-80 patlatıcı bir atış hattı bağlayın. Tüm kapıları kapatın / limanlar / vb gerekli ve (tesisin patlayıcı testi ateş alan başına kilitleme işlemlerini yürütmek lertandard çalışma prosedürleri) SOP.
  11. osiloskop tetik, gerilim / bölünme, zaman / bölünme ayarlarını onaylayın. osiloskop 3,0 V kanal birine bir tetikleme eşiği ile yüksek gerilim fireset tetiği dışarı bağlayın. osiloskop ikinci kanala fotodiyot toplanmasıyla kutuyu bağlayın. -20 Mikro-saniye gecikme ayarı, 5 mikro-sn / bölünme 5 V / lige hem kanalları ve zaman tabanını ayarlayın.
  12. yüksek enerjili fireset ile madde patlat.
  13. fotodiyot özetinde kutunun çıkış zaman karşı gelen bir zirve ölçün. İlk artış kullanılan ekipmana bağlı olarak daha iyi bir gösterge olabilir, ancak osiloskop ekran iz itibaren, belirli süreleri belirlemek için tepe gerilim kullanın.
  14. osiloskop alınan beş kez noktalarından patlama hızı hesaplayın. Her bir fiber optik mesafe bilindiği için, her bir tepe noktasının arasındaki süre ile, her mil arasındaki mesafenin bölünmesiyle patlatma hızı hesaplanır (diduruş / zaman = hız). Ortalama ve standart sapma, her iki rapor edilmiştir.
  15. Daha sonra derinliğini belirlemek için kullanılan bir derinlik ölçer minimum düzeyde bulmak için göçük bir kalibre çelik rulman yerleştirerek çelik tanık plakasında göçük derinliğini hesaplamak ve.

2. Fotoğraf Doppler Akımları

  1. Makine PMMA penceresi yaklaşık 6.5 mm kalınlığında patlayıcı madde yükünün çapının büyüklükte. Pencere herhangi işleme kusurları optik açık ve ücretsiz olduğundan emin olun. Bu bir lazer kesici veya benzeri işleme işlemini kullanarak diskler dışarı dökme akrilik ve işleme optik net sayfasını almak başarmak için. Daha sonra, optik bakımdan saydam bir yüzey elde etmek için su jetleri kullanmaktadır.
  2. Alüminyum folyo kalınlığı üretici şartnamesine göre "0,005 aşmadığı emin olun. folyo yüzeyi (specular) bozulmamış ise, zımparalanmış paslanmaz çelik bilyalı rulman ile yüzey üzerine rulo. en uygun lazer bac bir yaygın yüzey sonuçlarıhizalama biraz kapalı olsa bile k yansıması.
  3. PMMA penceresine alüminyum folyo tutturmak için ince, optik şeffaf akrilik bazlı yapışkan bandı kullanın. PMMA ve alüminyum arasında hiçbir hava kabarcığı olmadığından emin olun.
  4. patlayıcı test örneği pelet çapları, uzunlukları ve kitleleri ölçün. yüksek doğruluk kaliperleri ve dengeyi kullanın.
  5. herhangi bir takviye (gerekirse) de dahil olmak üzere, sürekli bir şarj oluşturmak üzere birbirine patlayıcı test numunesi pelet yapıştırın. pelet arayüzleri hava boşlukları en aza indirmek için montaj sırasında her patlayıcı arayüzünde gres uygulayın.
  6. akrilik fikstür içine Dağı patlama hızı pimleri. Bu optik elyaf veya piezoelektrik işaretçilerini olarak mevcut olabilir. yüke ilişkin pinlerini bilinmelidir.
  7. ücret akrilik patlama hızı pimi tutucu yapıştırın. Teyp ücret akrilik pim tutucu tutmak için yeterlidir. Tipik olarak, lif / pim yerleri patlayıcı ch alt yakın olankararlı durum patlama görülebilir şekilde arge.
  8. ücret fünye takın. monte şarj ters çevirin ve PMMA penceresini yapıştırılması hazırlanmak için bu yönde stabilize. Alüminyum / patlayıcı arayüzünde hava kabarcıklarını engellemek için patlayıcı yüzünde yağ küçük bir miktar koyun.
  9. patlayıcı ücret PMMA penceresinin folyo tarafını yapıştırın. Pencere ve şarj konsantrik ise, çevresel bandı kullanın. Değilse, patlayıcı yükün ekseninden aşağı bantlayın.
  10. PMMA penceresi güvenli patlayıcı yüküne bağlı sonra, bant ile PMMA penceresine akrilik PDV prob tutucu yapıştırın. PDV prob tutucu içine PDV probu yerleştirin.
  11. Bir geri yansıma metre ile tutucu PDV probu aynı hizaya getirin. Bu cihaz, düşük güç lazer ışınını çıkışları ve arka-yansıma genlik ölçer. -10 Dbm -20 dbm bir geri yansıma arzu edilir. Lütfen yansıması olduğu tespit edildikten sonra yerine PDV probu epoksiOptimal.
  12. odasında Test öğesini yerleştirin ve patlama hızı teller (fiber optik veya piezoelektrik) ve PDV lif hem de takın. Bir RP-80 patlatıcı bir atış hattı bağlayın. Yakın gerekli tüm kapılar / limanlar / vb. ve tesisin patlayıcı testi ateşleme SOP başına alan kilitleme işlemlerini yürütmek.
  13. osiloskop tetik, gerilim / bölünme, zaman / bölünme ayarlarını onaylayın. PDV sistem ayarlarını onaylayın. Sinyal lazer ve referans lazer genlikleri gözlemleyin ve gerekirse değiştirin.
  14. yüksek enerji fireset ile madde patlat. PDV veri ve patlama hızı veri için osiloskop izlerini kaydedin.
  15. İlgili veri analizi programı PDV verileri analiz edin. ham PDV sinyali Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) tabanlı analiz paketi Transform kullanılarak işlenmesi gerekir.
    Not: Bu ham sinyalin frekansı içeriğine bakarak, ve ışık kaynağı (1550 nm) ilk frekansı bilerek, FFT analizi paketi hız spektrograma olduğunu ürettiği arazilerzamanın bir fonksiyonu olarak kaydedilmektedir hızı. Bu durumda, PlotData, enerji grafik kullanıcı arayüzü (GUI) tescilli ABD Bölümü, FFT gerçekleştirmek için LabView yazılımı ile bağlantılı olarak kullanılır. Ancak, birçok piyasada mevcut analiz paketleri bu görevleri yürütebilecek olduklarını mevcuttur.
  16. osiloskop alınan beş kez noktalarından patlama hızı hesaplayın. Her bir fiber optik mesafe bilindiğinden, patlama hızı her bir tepe noktasının (uzaklık / zaman = hızı) arasındaki süre ile, her mil arasındaki mesafenin bölünmesiyle hesaplanır. Ortalama ve standart sapma bildirilmektedir.

Representative Results

FODV kurulumu, Şekil 4 'de gösterilmiştir ise PDV için tipik ayar, Şekil 2 ve 3'te gösterilmiştir. Patlamadan sonra geleneksel FODV çekim kaynaklanan Dent plakaları PAX'de-30 pozisyonu / zaman sonuçlar Şekil 5'de gösterilmektedir ve PBXN-5 Şekil 6'da. Her iki malzeme PAX-30 ~ 0.4 mikro-sn / mm daha yavaş olan, benzer patlatma hızları (doğrunun eğimi) sahiptirler. bu önemli bir fark görünmemektedir olsa da, PAX-30 ağırlık patlayıcı dolgu ile yaklaşık% 20 daha az sahip olduğu gerçeği ışığında gerçekten de. Patlama hızı ya da hemen infilak ön sonra alüminyum reaksiyonu ölçmek için kesin test değildir, ancak alüminyum reaksiyon bir ön değerlendirme verebilir.

şekil 2
Şekil 2. Tipik bir PDV kurulumu. Patlayıcı pelet veya döküm sopa dizilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3. PDV kurulumu (kapat görünüm). Broşürü plakası bulunduğu üssünde PDV kurulumu. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 4,
Şekil 4. FODV kurulum. Sopa Kurulum sırasında sağlam bir temas ve dik duruş sağlamak için çelik tanık plaka üzerine epoxied edilir. Fünye ve güçlendirici sopa üst kısmında bulunmaktadır. = "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/52950/52950fig4large.jpg" target = "_ blank"> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 5,
FODV testi Şekil 5. Dent. Göçük kalibre derinlik ölçer veya profilometreyle ölçülür. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 6,
Şekil 6. Patlama oranı hesaplamaları. Her bir veri noktası FODV kurulumunda fiber optik pimleri değil. PAX-30 R 2 = 0,999717, RMSE (karekök ortalama hata) 0.519693 =; PBXN-5 R2 = 0,998778, RMSE = 1,342272.om / files / ftp_upload / 52950 / 52950fig6large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Patlayıcı n Patlama Hızı (mm / mikro-saniye) CJ Basıncı
(GPa, Levha göçük) 		CJ Basıncı
(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

Tablo 1. Deneylerden elde edilen verilerdir. N, 5 fiber optik pimlerin her biri, test toplam sayısıdır. PDV CJ basınç sadece bir test oluşur.

Şekiller 2-3 patlayıcı yükün altından ilanı plakasının PDV izleme çıktısı, Şekil 7'de gösterilmektedir. salınımlar yaklaşık 4-5 km / sn hızla ivme plakanın çınlaması ortaya çıkar. CJ basınç alüminyum patlayıcı Sismik hızlardan türetilen eşleşti kez CJ noktası extrapolating sonra Cooper yaklaşımı, 6 ile ürün gaz Sismik hızlardan türetilen modelleme ve hesaplanır. Böyle bir hesaplama tipik bir ekran baskı Şekil 8'de gösterilmiştir. Tekniği hala bazı sınırlamaları vardır hesaplamalar broşürü hızının başından itibaren doğrusal bir hızlanma ekstrapolasyon varsayalım beri. Sonuçlar (Tablo 1) ile kanıtlandığı gibi, bu biraz basınç hafife sonuçlanır. Çalışma broşürü plakasının erken ivme uygun yeni denklemler geliştirmek için devam etmektedir.

/ 52950 / 52950fig7.jpg "upload />
CJ basıncı ölçümü için zamanın bir fonksiyonu olarak Şekil 7. Levha hızı PBXN-5 patlayıcı. Izleri neredeyse birbirine denk iki farklı çekim arasında mükemmel bir anlaşma unutmayın. Tıklayınız daha büyük bir versiyonunu görmek için bu figür.

Şekil 8,
PDV deney üzerinde bakır afiş levha verilerinden CJ basınç Şekil 8. hesaplanması. Ekstrapolasyon halen CJ basınç küçümsenmesi yol açar broşürü plakasının ilk itme doğrusal ivme varsayar unutmayın. Için tıklayınız Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntüleyin. </ A>

Şekil 9,
Şekil patlama ürünlerinde reaksiyona girmiş ve girmemiş Alüminyum genişleme isentropes 9. tasviri. Mavi düz çizgiler patlama hızı ile orantılıdır teğet çözümlerdir. Tepkimeye Al ürünler çözüm girmemiş Al çözümden daha düşük olması patlama hızı zorlamak unutmayın. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Discussion

iki patlayıcı formülasyon arasında hesaplanan basınç farkı not edin. alüminize patlayıcı sergiler kısmen daha az nitramine (HMX) yükleme daha az basınç, aynı zamanda alüminyum alt patlama basıncından daha küçük bir göçük sonuçlanır genişleyen patlama gazlarındaki oksijen ile reaksiyona girer çünkü. PBXN-5 nedeniyle (PAX-30 için 33.1 mol / kg karşı PBXN-5 için 36.2 mol / kg) PAX-30 ile karşılaştırıldığında patlama sırasında daha yüksek gaz içeriği yüksek bir patlama basınç uygulamaktadır. Duvar hız ölçümlerinden elde edilen devlet (EOS) Daha gelişmiş denklemler gibi aşırı sıcaklık ve basınç altında patlayıcı ürünlerin koşullarını tanımlamak için kullanılır. 10,11 Bu, gelecekteki el yazmalarının tabi olacaktır.

Bir patlayıcı bir metal erken Reaksiyon gerçekleştiğinde, tespit patlama hızı, metal etki yapmadığı zaman, daha düşük olduğu açıktı. Bu biraz gariptir; birhız nedeniyle alüminyum ekzotermik reaksiyon genişleyen patlama ön içine daha fazla enerji mevduat ise artış beklenebilir. patlama hızındaki azalma basınç yoğunluk Hugoniots çözümleri kaynaklanmaktadır. Özel hacim (ters yoğunluğu) -Basınçlı isentrope (Şekil 9'da soldan sağa) Patlamadan gelen ürünler genişletmek olarak değişiklikleri gösterir. 6 genişleme isentrope termodinamik oluşturmak ve basınç-özel hacim eğrisi boyunca genişletebilirsiniz bu patlatma ürünlerini temsil . Alüminyum oksitlenmiş türleri oluşturmak için reaksiyona Genişletme sırasında, bu gazın yoğunluğunda bir azalmaya yol açar ve daha düşük bir hızda yol açar. Bu reaktif olmayan bir alüminyum (Şekil 9) için çözelti altında genişletme isentrope kendini göstermektedir. patlama hızı X ekseni üzerinde bir başlangıç ​​yoğunluğu ile ilgili isentrope kesişen teğet çizgi olduğu, bu patlatma h belirgindirformülasyon alüminyum tepki verir elocity azaltmalıdır.

Özetle, Amerika Birleşik Devletleri Savunma Bakanlığı aktif uygulamalı araştırma ve geleneksel ve yeni teknolojiler hem yeni enerjik malzemelerin karakterizasyonu sürdürmeye devam ediyor. PDV durumunda, aşırı hassasiyeti ile patlayıcı karakterize ve patlayıcı etkinliği konusunda değerli bir bakış açısı ile araştırmacılar sağlayan değerli bir araçtır. Bu hızlı test döngüsü büyük ölçüde maliyet ve formülasyon optimizasyonu ve şartlar doğrulama için gereken süreyi azaltır.

Disclosures

DAĞITIM A: Kamu serbest bırakılması için onaylandı; dağıtım sınırsızdır. Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

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

References

  1. Title 10, Chapter 141, Section 2389. United States Code. , (2001).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Cooper, P. W. Explosives Engineering. , Wiley-VCH. New York. (1996).
  7. Chapman, D. L. On the rate of explosion in gases. Philosophical Magazine Series 5. 47 (284), 90-104 (1899).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  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).

Tags

Mühendislik Sayı 108 Patlayıcılar Patlama Test Fiber optik Foto Doppler Akımları

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.

Yüksek performanslı Patlayıcılar Araştırma ve Geliştirme
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter