البحوث والتنمية من المتفجرات عالية الأداء
Summary
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.
Abstract
اختبار التنموي من المتفجرات العالية للتطبيقات العسكرية ينطوي على صياغة الصغيرة، واختبار سلامة، وأخيرا اختبارات الأداء تفجير للتحقق من الحسابات النظرية. على نطاق صغير لصيغ وضعت حديثا، وتبدأ العملية مع يمزج على نطاق صغير، والاختبار الحراري، وتأثير وحساسية الاحتكاك. فقط ثم القيام اللاحقة تركيبات نطاق أوسع الشروع في اختبار التفجير، التي سيتم تغطيتها في هذه الورقة. وقد أدت التطورات الحديثة في تقنيات توصيف للدقة لا مثيل لها في توصيف تطور الزمن المبكر من التفجيرات. تقنية جديدة من السرعة بواسطة الصور دوبلر (PDV) لقياس ضغط التفجير وسرعة سيتم تقاسم ومقارنة مع التقليدية الألياف الضوئية سرعة تفجرها ولوحة-دنت حساب ضغط التفجير. على وجه الخصوص، وسيتم مناقشة دور الألومنيوم في مستحضرات المتفجرة. أدت التطورات الأخيرة في تطوير و المتفجراتormulations أن يؤدي إلى رد فعل من الألومنيوم في التوسع المنتج تفجير في وقت مبكر جدا. هذا التفاعل المعزز يؤدي إلى تغيرات في سرعة تفجرها والضغط بسبب رد فعل الألومنيوم مع الأكسجين في منتجات الغاز في التوسع.
Introduction
تطوير متفجرات عالية للاستخدام العسكري ينطوي على اعتبارات السلامة واسعة ومحدودية الموارد بسبب متطلبات مرفق اختبار. في الجيش الاميركي التسلح بحث والتطوير والقيادة الهندسة (ARDEC)، Picatinny السكك ارسنال، يتم تقييم المتفجرات من المستوى البحثي من خلال الرصد دورة حياة كاملة ونزع السلاح. يتم تقييم المتفجرات الجديدة أكثر أمانا للمناولة وتخزين، وتحميل بشكل مستمر في محاولة لتوفير ذخيرة فعالة وآمنة لالمحاربون. يفرض القانون الأخير أن يتم اتباع كلما كان ذلك ممكنا، الذخائر غير حساس (IM) المبادئ التوجيهية والمتطلبات. لذلك، كلما تم تجميع المتفجرات جديدة وصياغة، واختبار الأداء أمر بالغ الأهمية لضمان تلبية متطلبات المستخدمين. في هذا السياق، تتم مقارنة قياس الخواص تفجير PAX-30 التي تم تطويرها حديثا مع PBXN-5، والتقليدية متفجرة عالية الأداء. ولا سيما، وقياس VELO تفجير لالمدينة وتفجير الضغط، والتي هي مهمة للتحقق من النماذج النظرية والحسابية الأداء، ويشارك. تم تطوير PAX-30 ليحل محل المتفجرات إرث مثل PBXN-5 باستخدام الألومنيوم على رد الفعل.
الألومنيوم يمتلك المحتوى الحراري المرتفع للأكسدة كما الألومنيوم على أساس لكل الرحى:
2AL + 3/2 O 2 -> آل 2 يا 3 (1،670 كج / مول)
بإضافة الألومنيوم بدلا من صدمة المكونات المتفجرة الحساسة، يتم تقديم صياغة أكثر أمانا للصدمات والمخاطر الشتائم الخارجية. وهذا يساعد بشكل فعال تحقيق القاسي الذخائر (IM) متطلبات الأمم المتحدة، وفي الوقت نفسه الحفاظ على الأداء اللازمة لتطبيقات عسكرية 2،3.4.
مرافق لاختبار هذه البنود هي فريدة من نوعها ودرجة عالية من التخصص. يتم تنفيذ بعض الاختبارات الأولية للكشف المتفجرات قبل التعامل بكميات كبيرة. توتشمل الاختبارات ذات المناظر توصيف الحراري مع الكالوري التفاضلية المسح الضوئي (DSC) وتأثير واختبارات الاحتكاك. للاختبارات DSC، يتم تسخين عينة اختبار صغيرة بمعدل ثابت في جو خامل، ويتم رصد كمية واتجاه تدفق الحرارة. في اختبارات التصادم والاحتكاك، وتخضع العينة للإهانات من موحدة انخفاض الوزن (BUNDESANSTALT الفراء Materialprufung، أو BAM الأثر)، و 5 لاختبار الاحتكاك دبوس السيراميك موحدة ولوحة (BUNDESANSTALT الفراء Materialprufung، أو الاحتكاك BAM).
مرة واحدة تعتبر الصياغات آمنة للمعالجة، ويتم إنجاز مزيد من النطاق من قبل تقنيات خلط الملكية. باختصار، تقع المتفجرات العالية إلى ثلاث فئات:
تذوب المدلى بها، التي الموثق هو مادة تذوب في المرحلة مثل الشمع، نتريت (تي ان تي)، dintroanisole (DNAN)، أو غيرها من المواد قابل للانصهار. ويمكن إدراج المواد الصلبة الحيوية أو الوقود مع دراسة متأنية من المساواةحجم جسيما والتوافق.
يلقي علاج، حيث الموثق هو بوليمر castable، مثل البيوتادايين منتهية الهيدروكسيل (HTPB)، polyacrylate، أو غيرها من الايبوكسي من نوع البلاستيك الذي هو السائل في حالته غير المتفاعل، ولكن عند بدء يتصلب إلى مادة صلبة. تدرج المواد الصلبة في مصفوفة خلال حالته السائلة.
ضغط، الذي تحميل المواد الصلبة عالية جدا، وكثيرا ما تقترب ما يقرب من 95٪ من وزنها، مع الموثق الذي تمت إضافته إلى معطف المواد الصلبة باستخدام عملية ورنيش أو قذف.
مرة واحدة ضغط أو الزهر، ويتم تشكيله من المواد باستخدام منهجيات موحدة للحصول على هندسة المناسبة لاختبار المطلوب. في هذه الورقة، PAX-30 و PBXN-5 هي الأداء العالي الضغط المتفجرات. مصنوعة من تركيبات من خلال عملية الطين طلاء، التي علقت بلورات نترامين النشطة (HMX، RDX، أو CL-20) والألومنيوم الجسيمات في محلول مائي. ورنيش مع ط الموثق الملكيةوأضاف ق ذلك الحين. على إضافة ورنيش، والمعاطف البوليمر بلورات المتفجرة، يتم تسخين تعليق تحت فراغ لابعاد المذيب، ومن ثم يتم تصفية الجزيئات والمجففة. ثم يتم الضغط على جزيئات شبيهة الحبيبية إلى تكوين المطلوب.
تفجير السرعة
من أجل تحديد سرعة تفجرها، لا بد من مراقبة وصول الجبهة تفجير في المواد. ويعرف التفجير نتيجة لارتفاع فوري الاكتفاء الذاتي في الضغط ودرجة الحرارة التي هي أسرع من سرعة الصوت في هذه المادة. يصبح مكتفية ذاتيا مرة واحدة في درجة الحرارة والضغط تكفي لتوفير التفاعلات الطاردة للحرارة وراء الجبهة رد فعل التكاثر. ويتحقق مثل هذا السلوك من خلال دمج المؤكسدة الأنصاف مثل مجموعة النترات في بعض المواد لتشكيل. وترد مثالين المعروفة باسم RDX (سيكلو-1،3،5-ثلاثي الميثيلين-2،4،6-trinitramine) وموضوعة (cyclotetramethylenetetranitramine) طن الشكل 1، والتي إلى حد كبير على المواد الفعالة المستخدمة في وزارة الدفاع الأميركية (وزارة الدفاع). لاحظ توازن الأكسجين في الجزيئات، مما يؤدي في تفاعل طارد للحرارة، نشر النفس وراء الصدمة الأمامية.
الشكل 1. RDX (سيكلو-1،3،5-ثلاثي الميثيلين-2،4،6-trinitramine، يسار) وموضوعة (cyclotetramethylenetetranitramine، يمين). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
طريقة واحدة لتحديد سرعة الجبهة التفجير هو رصد مكانتها بوصفها وظيفة من الزمن. يتم تنفيذ تفجير سرعة (FODV) اختبار الألياف الضوئية لتحديد سرعة تفجير عبوة مواد متفجرة. وقد صمم لاعبا اساسيا الاكريليك لعقد عينة المتفجرة، وتحديد البصريةالألياف على مسافات المعروفة أسفل طول تهمة. يستخدم الاختبار المعياري 5 بوصة طولا و 0.75 بوصة قطر عينة المتفجرة مع خمس مجموع الألياف البصرية؛ يقع الألياف السفلي 0.50 بوصة من الجزء السفلي من هذه التهمة، ويقع كل من الألياف على التوالي 1 بوصة فوق التالي. الثقوب المحفورة في المباراة الاكريليك هما صعدت الثقوب. هو حجم ثقب قطره أكبر لتناسب الأساسية والكسوة من الألياف البصرية، ويعمل حفرة قطرها أصغر باعتباره المجال الجوي المحصورة. كما تقدم التفجير من خلال عينة المتفجرة، موجة الصدمة المنتجة يثير المجال الجوي يقتصر إنتاج، ومضة قصيرة مشرق التي يمكن ملاحظتها مع الألياف البصرية.
و-الألياف البصرية المستخدمة في هذا الاختبار تمتلك نواة البلاستيك غير مكلفة. ونظرا لطبيعة المدمرة لاختبار واتساق صدمة الهواء، لم يتم العثور ألياف عالية الجودة لتكون ضرورية للحفاظ على البيانات سرعة عالية الجودة. مرفق الاختبار في Picatinny السكك ارسناليستخدم ثنائيات ضوئية لخص لترجمة الضوء من تفجير في التيار الكهربائي. اتساع ارتفاع الجهد هو غير مهم لأغراض هذا الاختبار. تم توصيل الذبذبات 1 غيغاهرتز إلى مربع التلخيص الضوئي، على الرغم من أن معدل أخذ العينات هو أبعد من ما هو ضروري لهذا الاختبار. الألياف "قمم" البصرية يمكن إما يحددها أول ارتفاع لقيم إشارة أو الذروة. وبالنظر إلى المسافة بين الألياف البصرية والفارق الزمني بين وصول التفجير، ثم يتم تحديد تفجير سرعة.
ضغط التفجير
ويقدر ضغط التفجير عن طريق قياس عمق تأثير في ذلك كمحصلة لوحة الصلب القياسية من تفجير المتفجرات في. أعماق دنت هي مرتبطة بشكل جيد لقيم ضغط معروفة لمجموعة متنوعة من المركبات المتفجرة. عادة، لأن معظم المتفجرات تستوفي الشرط تشابمان-Jouguet (CJ) لتفجير لتحدث، وعادة ما يشار الضغط تفجير لكما ضغط CJ، وسيكون من هذه النقطة إلى الأمام في هذه المقالة. وضعت الجمعية تهمة على رأس لوحة الصلب، ودعا الى "لوحة الشاهد"، ونتائج تفجير في تأثير في اللوحة. ثم تتم مقارنة عمق دنت في القطر تهمة 0.75 بوصة القياسية للعديد من المواد المتفجرة مع الضغوط تفجير المعروف أن عمق اختبار دنت. ضغط التفجير التي دنت لوحة هي طريقة موثوق بها مع سنوات عديدة من البيانات الموثقة عن علاقات مقبولة. ومع ذلك، فإن التفجير هي عملية ديناميكية وسريعة التفاعل الكيميائي، وفي السنوات الأخيرة أصبح من المرغوب فيه للاستفادة من أدوات مع دقة أعلى لمراقبة التاريخ ضغط الوقت.
لقياس مباشرة ضغط انفجار عبوة ناسفة والضوئية دوبلر السرعة بواسطة (PDV) يمكن أن تستخدم أيضا. وقد تم تطوير هذا النظام تداخل الليزر من قبل المختبر الوطني لورانس ليفرمور ويستخدم لنانومتر مصدر ليزر CW 1550. بتوجيه الليزر على التحرك هدفاد جمع خفيفة، وتواتر ضربات الناتجة-تحول دوبلر يمكن تحليلها لتوفير أثر سرعة الهدف. على عكس تقنيات التصوير التقليدية عالية السرعة، وهذه آثار سرعة سجل مستمر من سرعة المستهدف بوصفها وظيفة من الزمن. وقد اكتسبت هذه التقنية لقياس اهتماما كبيرا في السنوات القليلة الماضية، وأصبحت في كل مكان في وزارة الدفاع وزارة الطاقة (وزارة الطاقة) مختبرات توصيف المتفجرة.
من أجل حساب الضغط CJ من المتفجرات الجديد، وهو نظام PDV يمكن استخدامها لقياس سرعة الجسيمات بين المتفجرات ونافذة ميتاكريلات (PMMA). احباط رقيقة جدا، وعادة الألومنيوم أو النحاس، يتم وضعها في هذه الواجهة ليكون بمثابة سطح عاكس. في هذه الدراسات، تم استخدام النحاس. وينبغي أن يكون هذا احباط رقيقة بما يكفي لمنع صدمة كبيرة موجة توهين في حين يجري سميكة بما فيه الكفاية لمنع الضوء تفجير من المرور. عادة، سمك احباطمن 1000 انغستروم مثالية للالاجهزة معظم التجريبية. ونظرا لسرعة الجسيمات في PMMA وسرعة تفجير المتفجرات، ويمكن حساب الضغط التفجير مع المعادلات صدمة مطابقة Hugoniot 6
في حين أن الاختبار FODV في 0.75 "قطر التهمة هي معيار أنشئت في ARDEC، اختبارات وفقا PDV-تشهد باستمرار الصقل. اعتمادا على صياغة المتفجرة، واحد أو كلا الاختبارات يمكن استخدامها لوصف سرعة التفجير وضغط التفجير.
Protocol
Representative Results
Discussion
ملاحظة الاختلافات الضغط المحسوبة بين الصياغات المتفجرة. المعروضات المتفجرة الومنيوم ضغط أقل، ويرجع ذلك جزئيا إلى أقل نترامين (HMX) تحميل، ولكن أيضا لأن الألومنيوم يتفاعل مع الأكسجين في غازات تفجير التوسع، مما يؤدي الى دنت أصغر من انخفاض ضغط التفجير. وPBXN 5 يمارس الضغط تفجير العالي بسبب محتواه العالي الغاز على تفجير مقارنة PAX-30 (36.2 الشامات / كغ للPBXN 5 مقابل 33.1 الشامات / كغ للPAX-30). وتستخدم المزيد من المعادلات المتقدمة من الدولة (EOS) المستمدة من القياسات جدار سرعة لوصف الظروف من المنتجات المتفجرة في هذه درجات الحرارة القصوى والضغوط. 10،11 وهذا سيكون موضوع المخطوطات في المستقبل.
وكان من الواضح أنه عندما يحدث رد فعل في وقت مبكر من المعدن في انفجار عبوة ناسفة، وسرعة الكشف عن تفجير أقل مما لو لم المعدنية تتفاعل. هذا هو متوقع إلى حد ما. واحدأتوقع سرعة زيادة إذا المزيد من الودائع الطاقة في توسيع جبهة التفجير نتيجة لتفاعل طارد للحرارة من الألومنيوم. انخفاض في سرعة تفجرها ينشأ من حلول للHugoniots ضغط الكثافة. حجم معين (كثافة معكوس) -pressure isentrope يدل على تغييرات في كمنتجات من تفجير توسيع (من اليسار إلى اليمين في الشكل 9). 6 isentrope توسع تمثل هذه المنتجات التفجير التي يمكن أن تشكل الديناميكا الحرارية وتوسيع طول منحنى حجم الضغط محدد . أثناء التوسع، إذا يتفاعل الألومنيوم لتشكيل الأنواع المؤكسدة، فإنه يؤدي إلى انخفاض عام في كثافة الغاز ويؤدي إلى سرعة أقل. ويتجلى هذا في isentrope التوسع دون حل للالألومنيوم غير التفاعلي (الشكل 9). منذ سرعة التفجير هو خط المماس المتقاطعة وisentrope من كثافة انطلاق على محور س، فمن الواضح التفجير الخامسelocity يجب أن ينخفض عندما يتفاعل الألومنيوم في الصياغة.
وباختصار، لا تزال الولايات المتحدة وزارة الدفاع لمتابعة بنشاط البحوث التطبيقية وتوصيف المواد النشيطة جديدة مع كل من التكنولوجيات التقليدية والجديدة. في حالة PDV، بل هو أداة قيمة التي تميز المتفجرات بدقة بالغة، ويوفر للباحثين معلومات قيمة حول فعالية المتفجرة. هذه دورة اختبار سريع يقلل إلى حد كبير من حيث التكلفة والوقت اللازم لتحسين ومتطلبات صياغة التحقق.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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. , (1995).
- United Nations. . Recommendations on the Transport of Dangerous Goods—Tests and Criteria, revisions adopted by reference (A.1), ST/SG/AC.10/11. , (2013).
- Cooper, P. W. . Explosives Engineering. , (1996).
- Chapman, D. L. On the rate of explosion in gases. Philosophical Magazine Series 5. 47 (284), 90-104 (1899).
- OT, S. t. r. a. n. d., 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. , (2008).
- Stiel, L. I., Baker, E. L., Capellos, C., Furnish, M. D., Elert, M., Russell, T. P., White, C. T. Study of Detonation and Cylinder Velocities for Aluminized Explosives. Shock Compression of Condensed Matter – 2005. AIP Conference Proceedings. 845, 475-478 (2006).
