Onderzoek en ontwikkeling van high-performance Explosieven
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
Developmental testen van explosieven voor militaire toepassingen gaat om kleinschalige formulering, testen van de veiligheid, en ten slotte ontploffing prestatietests theoretische berekeningen te controleren. kleinschalige Voor nieuw ontwikkelde formuleringen, het proces begint met kleinschalige mixen, thermische testen, en de impact en wrijving gevoeligheid. Pas dan de volgende grotere schaal formuleringen overgaan tot detonatie testen, die zal worden behandeld in dit document. Recente ontwikkelingen in de karakterisering technieken hebben geleid tot ongekende precisie in de karakterisering van vroege-time evolutie van de ontploffingen. De nieuwe techniek van foto-Doppler velocimetry (PDV) voor het meten van druk en snelheid detonatie wordt gedeeld en vergeleken met traditionele glasvezel detonatiesnelheid en plaat-dent berekenen van detonatiedruk. Met name zal de rol van aluminium in explosieve formules besproken. Recente ontwikkelingen hebben geleid tot de ontwikkeling van explosieve formulations die resulteren in de reactie van aluminium zeer vroeg in de ontploffing productverbreding. Deze verbeterde reactie leidt tot veranderingen in de detonatie snelheid en druk door reactie van het aluminium met zuurstof in de groeiende gasproducten.
Introduction
Ontwikkeling van high explosieven voor militair gebruik gaat uitgebreide veiligheids- overwegingen en resource beperkingen als gevolg van testfaciliteit eisen. Bij het Amerikaanse leger Bewapening Research and Development en Engineering Command (ARDEC), Picatinny Arsenal, zijn explosieven geëvalueerd uit het onderzoek niveau door volledige monitoring en demilitarisering levenscyclus. Nieuwe explosieven die veiliger zijn voor de behandeling, opslag en belading worden continu geëvalueerd in een poging om effectieve en veilige munitie voor de Warfighter te bieden. Recente wet schrijft voor dat, waar mogelijk, Ongevoelig munitie (IM) richtlijnen en voorschriften worden gevolgd. Daarom, wanneer de nieuwe explosieven worden gesynthetiseerd en geformuleerd, performance testen is van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat ze voldoen aan eisen van de gebruikers. In dit verband is het meten van detonatie eigenschappen van nieuw ontwikkelde PAX-30 vergeleken met de PBXN-5, een traditionele high performance explosief. Met name de meting van de detonatie velostad en detonatiedruk, die belangrijk zijn voor verificatie van theoretische modellen en berekeningen uitvoering zijn, gedeeld. De PAX-30 is ontwikkeld om legacy explosieven zoals PBXN-5 te vervangen door het gebruik van reactieve aluminium.
Aluminium heeft een hoge enthalpie oxidatie aluminium op een per molaire basis:
2Al 3/2 + O 2 -> Al 2 O 3 (1670 kJ / mol)
Door het toevoegen van aluminium in plaats van de schok gevoelige explosieve ingrediënten, is de formulering gemaakt meer veilig is om externe schokken en gevaar beledigingen. Hierdoor kunnen vervullen Ongevoelig munitie (IM) VN eisen terzelfder tijd die voor militaire toepassingen behoud van de prestaties. 2,3.4
De faciliteiten om te testen zulke items zijn uniek en zeer gespecialiseerd. Sommige eerste tests worden uitgevoerd om explosieven te screenen voordat u in grote hoeveelheden. THese tests omvatten thermische karakterisering met differentiële scanningcalorimetrie (DSC) en de impact en wrijving testen. Voor de DSC proeven wordt een klein monster verwarmd bij een constante snelheid in een inerte atmosfeer, en de mate en richting van de warmtestroom wordt bewaakt. Voor de impact en wrijving testen, wordt het monster onderworpen aan beledigingen van een gestandaardiseerd valgewicht (Bundesanstalt für Materialprufung of BAM Impact), en voor de wrijving-test een gestandaardiseerde keramische pin en plaat (Bundesanstalt für Materialprufung of BAM Friction). 5
Zodra de formuleringen veilig voor de behandeling worden geacht, wordt verdere opschaling bereikt door het gepatenteerde technologieën mengen. Kortom, een hoge explosieven vallen in drie categorieën:
Smelt gegoten, waarbij het bindmiddel een smeltfase materiaal zoals een was, trinitrotolueen (TNT), dintroanisole (DNAN) of andere smeltbare materialen. Energetische of brandstof vaste stoffen kunnen worden opgenomen met een zorgvuldige afweging van de nominalekorrelgrootte en compatibiliteit.
Cast-behandeling, waarbij het bindmiddel een gietbaar polymeer, zoals hydroxyl-eindstandig polybutadieen (HTPB), polyacrylaat of andere epoxy kunststoflagen die vloeistof in zijn ongereageerde toestand, maar bij initiatie stolt tot een vaste stof. Vaste stoffen worden opgenomen in de matrix in vloeibare vorm.
Gedrukt, waarbij de vastestofbelading is zeer hoog, vaak benadert bijna 95 gewichts%, met een bindmiddel dat wordt toegevoegd aan het bekleden van de vaste stoffen met een lak of extrusieproces.
Zodra geperst of gegoten, materialen die bewerkt middels standaardmethoden de juiste geometrie krijgen voor een gewenste test. In deze paper, PAX-30 en PBXN-5 zijn high performance gedrukt explosieven. De formuleringen worden gedaan via een slurry-bekledingswerkwijze, waarbij energetische nitramine kristallen (HMX, RDX, of CL-20) en aluminiumdeeltjes in een waterige oplossing gesuspendeerd. Een lak met de gepatenteerde bindmiddel is vervolgens toegevoegd. Na lak bovendien het polymeer bedekt de explosieve kristallen, de suspensie wordt verhit onder vacuum het oplosmiddel te verdrijven en de deeltjes worden vervolgens gefiltreerd en gedroogd. De korrelvormige deeltjes worden vervolgens naar de gewenste configuratie geperst.
Detonation Velocity
Om de detonatiesnelheid bepalen, moet men de komst van de detonatie front in het materiaal te controleren. Een detonatie wordt gedefinieerd als een zichzelf onderhoudende momentane stijging van druk en temperatuur die sneller is dan de geluidssnelheid in het materiaal. Het wordt zelfvoorzienend zodra de temperatuur en druk voldoende om exotherme reacties achter voortplantende reactiefront verschaffen. Dergelijk gedrag wordt gerealiseerd door het incorporeren oxiderende groepen zoals nitraatgroepen bepaalde stoffen van de formatie. Twee voorbeelden genoemd RDX (cyclo-1,3,5-trimethyleen-2,4,6-trinitramine) en HMX (cyclotetramethyleentetranitramine) getoond in figuur 1, die in grote lijnen de meest gebruikte energetische materialen in de US DoD (Department of Defense) zijn. Opmerking zuurstof evenwicht van de moleculen, waardoor de vicieuze exotherme reactie achter de schokgolf.
Figuur 1. RDX (cyclo-1,3,5-trimethyleen-2,4,6-trinitramine, links) en HMX (cyclotetramethyleentetranitramine, rechts). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Een manier om de snelheid van de detonatie voorste bepalen is om zijn positie als functie van de tijd te volgen. Fiber-optic detonatiesnelheid (FODV) testen uitgevoerd om de detonatiesnelheid van een explosief materiaal te bepalen. Een acryl armatuur is ontworpen om de explosieve steekproef te houden, en zoek de optischevezels op bekende afstanden langs de lading lengte. De standaard test maakt gebruik van een 5-inch lang en 0,75-inch diameter explosieve monster met vijf totale optische vezels; de onderste vezel ligt 0,50 inch van de onderkant van de lading en elke opeenvolgende vezel zich 1 inch boven het volgende. De gaten geboord in het acryl armatuur zijn twee getrapte gaten. De grotere diameter gat bemeten om de kern en mantel van de optische vezel te passen en de kleinere diameter gat dient als een gesloten luchtruimte. Als de ontploffing vordert door de explosieve monster, de schokgolf geproduceerd prikkelt de beperkte luchtruimte het produceren van een korte, heldere flits die kan worden waargenomen met de glasvezel.
De glasvezel gebruikt voor deze test hebben een goedkope plastic kern. Door het destructieve karakter van de test en de samenhang van de lucht shock, werden hogere kwaliteit vezels niet noodzakelijk bevonden om hoogwaardige snelheidsgegevens handhaven. De testfaciliteit bij Picatinny Arsenalgebruikt opgeteld fotodiodes om het licht te vertalen van de ontploffing in spanning. De amplitude van de spanningspiek is onbelangrijk voor de doeleinden van deze test. Een 1-GHz oscilloscoop is aangesloten op de fotodiode opsomming geven, hoewel dat sampling rate is veel verder dan wat nodig is voor deze test. De optische vezel "pieken" kan zowel worden bepaald door de eerste stijging van het signaal of piekwaarden. Gezien de afstand tussen optische vezels en het tijdsverschil tussen ontsteking aankomst wordt detonatiesnelheid bepaald.
Detonation Pressure
Detonation druk wordt geschat door het meten van de deuk diepte in een standaard stalen plaat resultante van detonatie de explosieve's. Dent diepten zijn goed gecorreleerd met bekende drukwaarden voor verschillende explosieve verbindingen. Meestal, aangezien de meeste explosieven voldoen aan de Chapman-Jouguet (CJ) voorwaarde voor een ontploffing plaatsvinden, de ontploffing druk wordt meestal aangeduidals CJ druk, en het zal vanaf dit punt naar voren in dit artikel. De lading samenstel wordt geplaatst op een stalen plaat, een zogenaamde "getuige plate" en de ontsteking resulteert in een deuk in de plaat. De deuk diepte standaard 0,75 inch heffing diameter talrijke explosieve materialen met bekende detonatiedruk wordt vergeleken met de proef deuk diepte. Detonation druk van de plaat deuk is een betrouwbare methode met vele jaren van gedocumenteerde gegevens voor acceptabele correlaties. Echter, een detonatie is een dynamisch, snelle chemische reactie, en de laatste jaren is het wenselijk geworden om hulpmiddelen te gebruiken met een hogere resolutie van de druk-tijdsverloop nemen.
De detonatiedruk van een explosief direct te meten, kan Photonic Doppler Velocimetry (PDV) worden gebruikt. Deze laser interferometer systeem is ontwikkeld door Lawrence Livermore National Laboratory en maakt gebruik van een 1550 nm CW laserbron. Door het richten van de laser op een bewegend doel eend verzamelen van de Doppler verschoven licht, de resulterende slagfrequentie kan worden geanalyseerd om een snelheid spoor van het doelwit. In tegenstelling tot traditionele high-speed fotografische technieken, deze snelheid sporen geven een doorlopend rapport van de snelheid van het doel als functie van de tijd. Deze meettechniek heeft veel aandacht gekregen in de afgelopen jaren en wordt steeds alomtegenwoordig in DoD en Department of Energy (DoE) explosieve karakterisering labs.
Om de CJ druk van een nieuwe explosieve berekenen, kan een PDV systeem worden gebruikt om het deeltje snelheid tussen het explosief en een venster polymethylmethacrylaat (PMMA) te meten. Een zeer dunne folie, gewoonlijk aluminium of koper, wordt geplaatst op deze interface om als reflecterend oppervlak. In deze studies werd koper gebruikt. Deze folie moet dun genoeg om significante schokgolf verzwakking te voorkomen terwijl ze dik genoeg om te voorkomen detonatie licht van doorreis zijn. Typisch, een foliediktevan 1000 Angstrom is ideaal voor de meeste experimentele opstellingen. Gezien de deeltjessnelheid in de PMMA en detonatiesnelheid van het explosief, kan de detonatiedruk worden berekend Hugoniot shock passende vergelijkingen. 6
Terwijl de FODV test bij 0,75 "lading diameter is een gevestigde standaard op ARDEC zijn PDV-gebaseerde tests voortdurend verfijning ondergaan. Afhankelijk van de explosieve samenstelling, kan één of beide proeven worden gebruikt om detonatiesnelheid en detonatiedruk karakteriseren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Noteer de berekende drukverschillen tussen de twee explosieve formules. De gealuminiseerd explosieve vertoont minder druk, mede door minder nitramine (HMX) laden, maar ook omdat het aluminium met zuurstof reageert in de groeiende detonatie gassen, waardoor een kleinere deuk uit een lagere detonatiedruk. De PBXN-5 oefent een hogere ontploffing druk als gevolg van de hoger gehalte gas bij ontploffing in vergelijking met PAX-30 (36,2 mol / kg voor PBXN-5 versus 33,1 mol / kg voor PAX-30). Meer geavanceerde toestandsvergelijkingen (EOS) uit muur snelheidsmetingen worden gebruikt ter bepaling van de explosieve producten te beschrijven op zulke extreme temperaturen en drukken. 10,11 Dit zal in de toekomst opnieuw handschriften zijn.
Het bleek dat toen de eerste reactie van een metaal in een explosieve optreedt, de gedetecteerde detonatiesnelheid lager dan wanneer het metaal niet reageert. Dit is enigszins contra-intuïtief; eenzou verwachten dat de snelheid te verhogen als er meer energie de deposito's in de groeiende ontploffing voorzijde als gevolg van exotherme reactie van aluminium. De daling detonatiesnelheid voortvloeit uit oplossingen om de druk dichtheid Hugoniots. Het specifieke volume (inverse dichtheid) -druk isentrope geeft veranderingen als producten uit de detonatie breiden (van links naar rechts in figuur 9). 6 De uitbreiding isentrope vertegenwoordigt de detonatie producten die thermodynamisch kunnen ontstaan en groeien langs de druk-volume curve specifieke . Tijdens expansie, indien de aluminium reageert geoxideerde stof te vormen, resulteert in een algehele vermindering van de dichtheid van gas en leidt tot een lagere snelheid. Dit manifesteert zich in een uitbreiding isentrope beneden de oplossing voor de niet-reactieve aluminium (figuur 9). Aangezien de detonatiesnelheid de raaklijn snijdt de isentrope van het startpunt dichtheid op de x-as, blijkt de ontploffing velocity moet minder worden wanneer het aluminium in de formulering reageert.
Samengevat, het Amerikaanse ministerie van Defensie blijft actief voort te zetten toegepast onderzoek en karakterisering van nieuwe energetische materialen met zowel traditionele en nieuwe technologieën. Bij PDV, is een waardevol hulpmiddel dat explosieven uiterst nauwkeurig karakteriseert en geeft de onderzoekers waardevol inzicht in de effectiviteit explosief. Deze snelle testcyclus sterk af kosten en de tijd die nodig is voor de formulering optimalisatie en vereisten verificatie.
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).
