La recherche et le développement des explosifs à haute performance
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
Essais de développement d'explosifs pour des applications militaires implique formulation à petite échelle, les tests de sécurité et, enfin, les tests de performance de détonation à vérifier les calculs théoriques. à petite échelle Pour les formulations nouvellement développés, le processus commence avec des mélanges à petite échelle, des essais thermiques, et de l'impact et de la sensibilité de friction. Alors seulement ultérieures grandes formulations échelle procèdent à des tests de détonation, qui sera couvert dans le présent document. Les progrès récents dans les techniques de caractérisation ont conduit à une précision inégalée dans la caractérisation de l'évolution précoce moment de détonations. La nouvelle technique de photo-vélocimétrie Doppler (PDV) pour la mesure de la pression et de la vitesse de détonation sera partagé et comparé avec le calcul de la vitesse de détonation fibre optique et la plaque-dent traditionnel de pression de détonation. En particulier, le rôle de l'aluminium dans les formulations explosives sera discutée. Les développements récents ont conduit à l'élaboration de f explosiveormulations qui donnent lieu à la réaction de l'aluminium au tout début de l'expansion des produits de détonation. Cette réaction conduit à une meilleure évolution de la vitesse et de la pression due à la détonation réaction de l'aluminium avec de l'oxygène dans les produits de gaz en expansion.
Introduction
Développement d'explosifs à usage militaire implique de nombreuses considérations de sécurité et des ressources limitées en raison des exigences de l'installation d'essai. A la recherche de l'armée américaine en matière d'armement et le développement et Engineering Command (ARDEC), Picatinny Arsenal, explosifs sont évalués par rapport au niveau de la recherche grâce à la surveillance du cycle de vie complet et la démilitarisation. Nouveaux explosifs qui sont plus sûres pour la manipulation, le stockage et le chargement sont évaluées de façon continue dans le but de fournir des munitions efficaces et sûrs pour le combattant. récente loi exige que chaque fois que possible, munitions à risques atténués (IM) des lignes directrices et les exigences sont respectées. Par conséquent, chaque fois que de nouveaux explosifs sont synthétisés et formulés, les tests de performance est primordiale pour assurer qu'ils répondent aux besoins des utilisateurs. Dans ce contexte, la mesure des propriétés de détonation PAX-30 nouvellement développé est comparée à la PBXN-5, un explosif à haute performance traditionnelle. En particulier, la mesure de son velo de détonationville et la détonation pression, qui sont importants pour la vérification des modèles théoriques et les calculs de performance, est partagée. Le PAX-30 a été développé pour remplacer explosifs existants tels que PBXN-5 en utilisant aluminium réactif.
Aluminium possède une enthalpie d'oxydation élevé que l'aluminium sur une base molaire:
2Al + 2/3 O 2 -> Al 2 O 3 (1670 kJ / mole)
En ajoutant l'aluminium à la place des chocs ingrédients sensibles explosifs, la formulation est rendu plus sûr de choc et de danger insultes externes. Cela permet de remplir efficacement Insensible Munition (IM) les exigences des Nations Unies, tout en maintenant en même temps les performances nécessaires pour des applications militaires 2,3.4.
Les installations pour tester ces objets sont uniques et hautement spécialisé. Certains tests initiaux sont effectués pour dépister explosifs avant de manipuler de grandes quantités. Tes essais comprennent la caractérisation thermique avec calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et essais de choc et de frottement. Pour les tests de DSC, un petit échantillon d'essai est chauffé à une vitesse constante dans une atmosphère inerte, et la quantité et la direction du flux de chaleur est surveillé. Pour les essais de choc et de frottement, l'échantillon est soumis à des insultes d'une masse tombante normalisé (Bundesanstalt fur Materialprüfung ou BAM Impact), et pour l'essai de frottement, une broche en céramique standardisée et la plaque (Bundesanstalt fur Materialprüfung ou de frottement BAM). 5
Une fois que les formulations sont considérés comme sûrs pour la manipulation, en outre mise à l'échelle est réalisée par les technologies de mixage exclusives. En bref, explosifs se répartissent en trois catégories:
Fondre sous pression, dans lequel le liant est un matériau en phase fondue comme une cire, de trinitrotoluène (TNT), dintroanisole (DNAN), ou d'un autre matériau fusible. solides énergétiques ou de carburant peuvent être incorporés à un examen attentif de la valeur nominaletaille de ticle et la compatibilité.
Cast-traitement, dans lequel le liant est un polymère pouvant être coulé, tel que le polybutadiène à terminaison hydroxyle (HTPB), un polyacrylate, ou d'un autre type de plastique époxy qui est liquide à l'état non réagi, mais lors de l'initiation se solidifie en un solide. Les solides sont incorporés dans la matrice au cours de son état liquide.
Enfoncée, dans laquelle la charge de solides est très élevé, se rapprochant souvent près de 95% en poids, d'un liant qui est ajouté pour revêtir les matières solides en utilisant un procédé d'extrusion ou de laque.
Une fois pressé ou moulé, les matériaux sont usinés en utilisant des méthodologies standard pour obtenir la géométrie appropriée pour un test désiré. Dans cet article, PAX-30 et PBXN-5 sont de haute performance pressé explosifs. Les formulations sont fabriquées par un procédé de revêtement par suspension, dans lequel les particules de cristaux de nitramine énergiques (HMX, RDX ou CL-20) et de l'aluminium sont mis en suspension dans une solution aqueuse. Une laque avec le liant exclusif is ensuite ajoutés. Lors de l'addition de laque, les couches de polymère de cristaux d'explosifs, la suspension est chauffée sous vide pour chasser le solvant, et les particules sont ensuite filtrées et séchées. Les particules de granulés en forme sont ensuite pressées dans la configuration souhaitée.
détonation Velocity
Afin de déterminer la vitesse de détonation, il faut surveiller l'arrivée du front de détonation dans le matériau. Une explosion est définie comme une augmentation instantanée autonome de la pression et de la température qui est supérieure à la vitesse du son dans le matériau. Il devient autonome une fois que la température et la pression sont suffisantes pour fournir des réactions exothermiques derrière le front de réaction de multiplication. Un tel comportement est réalisé en incorporant des fragments oxydants tels que des groupements nitrates dans certains matériaux de la formation. Deux exemples connus comme RDX (cyclo-1,3,5-triméthylène-2,4,6-trinitramine) et HMX (cyclotetramethylenetetranitramine) sont présentés in Figure 1, qui dans l'ensemble sont les matériaux les plus utilisés énergétiques de l'US DoD (Department of Defense). Noter le bilan d'oxygène des molécules, qui se traduit par la réaction exothermique auto-propagation en arrière du front de choc.
Figure 1. RDX (cyclo-1,3,5-triméthylène-2,4,6-trinitramine, à gauche) et HMX (cyclotetramethylenetetranitramine, à droite). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Une façon de déterminer la vitesse du front de détonation est de contrôler sa position en fonction du temps. vitesse de détonation (FODV) test de fibre optique est effectuée pour déterminer la vitesse de détonation d'une matière explosive. Un luminaire acrylique a été conçu pour maintenir l'échantillon explosive, et de localiser l'optiquefibres à des distances connues sur toute la longueur de charge. Le test standard utilise un 5 pouces de long par le diamètre échantillon explosive de 0,75 pouces avec cinq fibres optiques totales; la fibre inférieure est située 0,50 pouces à partir du bas de la charge et chaque fibre successive se trouve une pouces au-dessus de l'autre. Les trous percés dans la fixation acrylique sont deux trous-étagées. Le trou de plus grand diamètre est dimensionnée de manière à être compatibles avec le coeur et la gaine de la fibre optique et le trou de plus petit diamètre est un espace d'air confiné. Comme la détonation progresse à travers l'échantillon explosive, l'onde de choc produite excite l'espace aérien restreint la production d'un court, flash lumineux qui peut être observée avec les fibres optiques.
Les fibres optiques utilisées pour ce test possèdent un noyau en plastique bon marché. En raison de la nature destructrice de l'essai et de la cohérence du choc de l'air, des fibres de qualité supérieure sont introuvables être nécessaire pour maintenir les données de vitesse de haute qualité. L'installation d'essai à Picatinny Arsenalutilise photodiodes sommés de traduire la lumière provenant de la détonation en tension. L'amplitude du pic de tension est sans importance pour les besoins de ce test. Un oscilloscope à 1 GHz est relié à la boîte de sommation de photodiode, bien que le taux d'échantillonnage est bien au-delà ce qui est nécessaire pour ce test. Les fibres "pics" optiques peuvent être soit déterminées par la première hausse des valeurs de signal ou de pointe. Compte tenu de la distance entre les fibres optiques et la différence de temps entre l'arrivée de la détonation, la vitesse de détonation est ensuite déterminée.
détonation pression
pression de détonation est estimée par la mesure de la profondeur de la brèche dans une résultante norme de tôles d'acier de la détonation de l'explosif. Dent profondeurs sont bien corrélées à des valeurs de pression connues pour une variété de composés explosifs. En général, étant donné que la plupart des explosifs satisfont à la condition Chapman-Jouguet (CJ) pour une détonation se produise, la pression de détonation est typiquement appeléeque la pression CJ, et il sera de ce point de l'avant dans cet article. L'ensemble de charge est placée sur le dessus d'une plaque en acier, appelé «plaque témoin", et les résultats de détonation dans un trou dans la plaque. La profondeur de la dent au niveau du diamètre de charge de 0,75 pouces standard pour de nombreux matériaux explosifs avec une pression de détonation connus est ensuite comparée à la profondeur test de dent. pression de détonation par la plaque dent est une méthode fiable avec de nombreuses années de données documentées pour corrélations acceptables. Cependant, une détonation est, une réaction chimique rapide dynamique, et ces dernières années il est devenu souhaitable d'utiliser des outils avec une résolution supérieure à observer l'histoire en temps de pression.
Pour mesurer directement la pression de détonation d'un explosif, Photonic Vélocimétrie Doppler (PDV) peut également être utilisé. Ce système d'interféromètre à laser a été développé par Lawrence Livermore National Laboratory et utilise une source laser 1550 nm CW. En dirigeant le laser à une cible mobiled collecter la lumière, la fréquence résultant battement décalage Doppler peut être analysé pour fournir une trace de la cible de vitesse. Contrairement aux techniques photographiques classiques à grande vitesse, ces traces de vitesse fournissent un enregistrement continu de la vitesse de la cible en fonction du temps. Cette technique de mesure a gagné beaucoup d'attention au cours des dernières années et devient omniprésent dans DoD et Department of Energy (DoE) Les laboratoires de caractérisation d'explosion.
Pour calculer la pression CJ d'un nouvel explosif, un système de PDV peut être utilisé pour mesurer la vitesse des particules entre l'explosif et un polyméthacrylate de méthyle (PMMA) fenêtre. Une feuille très mince, généralement de l'aluminium ou de cuivre, est placé à l'interface d'agir comme une surface réfléchissante. Dans ces études, le cuivre a été utilisé. Ce film doit être suffisamment fine pour éviter un choc important atténuation des ondes tout en étant suffisamment épaisse pour empêcher la lumière de détonation de passer à travers. En règle générale, une épaisseur de feuillede 1000 angströms est idéal pour les configurations les plus expérimentales. Compte tenu de la vitesse des particules dans le PMMA et la vitesse de détonation de l'explosif, la pression de détonation peut être calculé avec les équations Hugoniot choc correspondant. 6
Bien que le test de FODV au diamètre de charge de 0,75 "est une norme établie à ARDEC, les tests basés sur PDV sont continuellement en cours de raffinement. En fonction de la formulation explosive, soit une ou deux tests peuvent être utilisés pour caractériser la vitesse de détonation et une pression de détonation.
Protocol
Representative Results
Discussion
Noter les différences de pression entre les deux calculés formulations explosives. Les pièces explosives aluminisé moins de pression, en partie en raison de moins nitramine (HMX) le chargement, mais aussi parce que l'aluminium réagit avec l'oxygène dans les gaz de détonation en expansion, ce qui se traduit par une dent inférieure d'une pression de détonation inférieure. Le PBXN-5 exerce une pression de détonation élevée en raison de sa teneur plus élevée de gaz lors de la détonation par rapport à PAX-30 (36,2 moles / kg pour PBXN-5 par rapport à 33,1 moles / kg pour PAX-30). Plus équations avancés de l'état (EOS) dérivé de mesures de la vitesse de la paroi sont utilisés pour décrire les conditions de vie des produits explosifs à des températures et des pressions extrêmes. 10,11 Ce sera l'objet de manuscrits futures.
Il est apparu que lorsque la réaction rapide d'un métal dans un explosif se produit, la vitesse de détonation détecté est inférieur si le métal ne réagit pas. Ceci est quelque peu contre-intuitif; unattendrait la vitesse d'augmenter si d'autres dépôts d'énergie dans le front de détonation en expansion en raison de la réaction exothermique de l'aluminium. La diminution de la vitesse de détonation découle de solutions aux Hugoniots pression densité. Le volume spécifique (densité inverse) à haute pression isentrope désigne changements dans autant de produits de la détonation expansion (de gauche à droite sur la figure 9). 6 La isentrope d'expansion représente les produits de détonation qui peuvent thermodynamiquement former et développer le long de la courbe de volume spécifique à une pression . Au cours de l'expansion, si l'aluminium réagit pour former des espèces oxydées, elle se traduit par une diminution globale de la densité de gaz et conduit à une vitesse inférieure. Cela se manifeste par une isentrope d'expansion inférieure à la solution de l'aluminium non-réactive (Figure 9). Etant donné que la vitesse de détonation est la ligne tangente coupant l'isentrope partir de la densité de départ sur l'axe des abscisses, on voit la détonation vitesse doit diminuer lorsque l'aluminium réagit dans la formulation.
En résumé, le Département de la Défense des États-Unis continue de poursuivre activement la recherche appliquée et la caractérisation de nouveaux matériaux énergétiques avec les technologies traditionnelles et nouvelles. Dans le cas de PDV, il est un outil précieux qui caractérise explosifs avec une précision extrême et fournit les chercheurs avec des informations précieuses sur l'efficacité explosive. Ce cycle de test rapide diminue fortement le coût et le temps nécessaire à la vérification de l'optimisation et exigences formulation.
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
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