Forschung und Entwicklung von High-Performance Sprengstoffe
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
Entwicklungs Prüfung von Hochexplosivstoffen für militärische Anwendungen handelt Klein Formulierung, Sicherheitstests und schließlich Tests Detonation Leistung theoretischen Berechnungen zu überprüfen. Für neu entwickelte Formulierungen kleine, beginnt der Prozess mit Kleinmischungen, thermische Tests und schlagfest und reibungs Empfindlichkeit. Erst dann anschließenden größeren Maßstab Formulierungen Detonation Tests fortfahren, die in diesem Papier abgedeckt werden. Jüngste Fortschritte in der Charakterisierungstechniken haben unvergleichliche Präzision bei der Charakterisierung von frühen Zeitentwicklung von Detonationen führte. Die neue Technik der Photo Doppler Velocimetry (PDV) zur Bestimmung der Detonationsdruck und Geschwindigkeit wird geteilt und mit herkömmlichen faseroptischen Detonationsgeschwindigkeit und Platte-dent Berechnung der Detonationsdruck verglichen werden. Insbesondere wird die Rolle von Aluminium in Sprengstoff-Formulierungen diskutiert. Jüngste Entwicklungen führten zur Entwicklung von explosiven formulations, die in Reaktion von Aluminium sehr früh in der Detonationsproduktexpansion führen. Diese verbesserte Reaktion führt zu Veränderungen in der Detonationsgeschwindigkeit und Druck aufgrund der Reaktion des Aluminiums mit Sauerstoff in den expandierenden Gasprodukte.
Introduction
Entwicklung von hochexplosive Sprengstoffe für militärische Zwecke, sind umfangreiche Sicherheitsüberlegungen und Ressourcenbeschränkungen aufgrund Prüfeinrichtung Anforderungen. Bei der US Army Armament Forschung und Entwicklung und Konstruktion Befehl (ARDEC), Picatinny Arsenal, sind Sprengstoff aus der Forschungsebene durch den gesamten Lebenszyklus Überwachung und Entmilitarisierung ausgewertet. Neue Sprengstoff, die sicherer für die Handhabung, der Lagerung und Beladung werden in dem Bemühen, einen effektiven und sicheren Munitions zur warfighter kontinuierlich ausgewertet. Aktuelle Gesetz schreibt vor, dass, wann immer möglich, unempfindlich Munition (IM) Richtlinien und Anforderungen eingehalten werden. Deshalb, wenn neue Sprengstoff synthetisiert und formuliert, Performance-Tests ist von größter Bedeutung, um sicherzustellen, Anforderungen der Nutzer sie sich treffen. In diesem Zusammenhang wird die Messung der Detonationseigenschaften von neu entwickelten PAX-30 gegenüber dem PBXN-5, ein traditionelles Hochleistungs explosiv. Insbesondere Messung ihrer Detonation veloStadt und Detonationsdruck, der für die Überprüfung der theoretischen Modelle und Leistungsberechnungen wichtig sind, geteilt wird. Die PAX-30 wurde Vermächtnis Sprengstoff wie PBXN-5 unter Verwendung von reaktiven Aluminium zu ersetzen entwickelt.
Aluminium besitzt eine hohe Enthalpie der Oxidation wie Aluminium auf einem pro Mol-Basis:
2Al 3/2 + O 2 -> Al 2 O 3 (1.670 kJ / mol)
Durch Zugabe von Aluminium anstelle der stoßempfindlichen explosiven Zutaten, die Formulierung sicherer zu externen Schock und Gefahren Beleidigungen gemacht. Dies hilft effektiv unempfindlich Munition (IM) der Vereinten Nationen Anforderungen bei gleichzeitiger Beibehaltung der Leistung, die für militärische Anwendungen zu erfüllen. 2,3,4
Die Einrichtungen zum Testen solcher Gegenstände sind einzigartig und hoch spezialisiert. Einige ersten Tests werden durchgeführt, Sprengstoff zu screenen, bevor in Verarbeitung großer Mengen. Tiese Tests gehören thermische Charakterisierung mit Differentialscanningkalorimetrie (DSC) und die Auswirkungen und Reibungstests. Für die DSC-Tests wird eine kleine Probe mit einer konstanten Geschwindigkeit in einer inerten Atmosphäre erwärmt, und die Menge und die Richtung des Wärmeflusses wird überwacht. Für Schlag- und Reibungstests wird die Probe zu Beleidigungen von einem standardisierten Fallgewicht (Bundesanstalt für Material oder BAM Impact) unterzogen und für den Reibungstest eine standardisierte Keramikstift und Platte (Bundesanstalt für Material oder BAM Friction). 5
Sobald die Formulierungen als sicher sind für die Handhabung, weiter Scale-up wird durch proprietäre Mischtechnologien erreicht. Kurz gesagt, fallen hohe Sprengstoff in drei Kategorien:
Schmelzguss, in dem das Bindemittel ein Schmelzphasenmaterial wie ein Wachs, Trinitrotoluol (TNT), dintroanisole (dnan) oder andere schmelzbare Material. Energetische oder Kraftstoff Feststoffe können mit sorgfältiger Abwägung par eingearbeitet werdenkel Größe und Kompatibilität.
Guss Heilung, bei dem das Bindemittel ein gießbares Polymer ist, wie beispielsweise Hydroxyl-terminiertes Polybutadien (HTPB), Polyacrylat oder anderen Epoxy-Typ Kunststoff, der in seiner nicht umgesetzte Form flüssig ist, aber bei der Einleitung erstarrt zu einem Feststoff. Die Feststoffe werden in die Matrix während seiner flüssigen Zustand eingearbeitet.
Gedrückt wird, in dem die Feststoffbeladung sehr hoch ist, oft fast 95 Gewichts-% nähert, mit einem Bindemittel, das die Feststoffe mit einem Lack oder Extrusionsverfahren zur Beschichtung zugesetzt wird.
Einmal gedrückt oder gegossen werden die Materialien unter Verwendung von Standardmethoden bearbeitet, um eine ordnungsgemäße Geometrie für einen gewünschten Test erhalten. In diesem Papier PAX-30 und PBXN-5 sind Hochleistungsspreng gedrückt. Die Formulierungen werden durch ein Slurry-Beschichtungsverfahren, bei dem energetischen Nitramin Kristalle (HMX, RDX, oder CL-20) und Aluminiumpartikel in einer wässrigen Lösung suspendiert bleibt. Ein Lack mit dem proprietären Bindemittel is zugegeben. Bei Lack Zusätzlich können die Polymerbeschichtungen die explosiven Kristalle wird die Suspension unter Vakuum erhitzt, um das Lösungsmittel auszutreiben und die Teilchen werden dann abfiltriert und getrocknet. Die granulatförmigen Partikel dann an die gewünschte Konfiguration gepreßt.
Detonationsgeschwindigkeit
Um die Detonationsgeschwindigkeit zu bestimmen, muss man die Ankunft der Detonationsfront in dem Material zu überwachen. Eine Detonation wird als selbsterhaltende augenblickliche Anstieg von Druck und Temperatur definiert, die schneller als die Schallgeschwindigkeit in dem Material ist. Es wird selbsterhaltende, sobald die Temperatur und der Druck ausreichend sind, um exotherme Reaktionen hinter dem Vermehrungsreaktionsfront zu ermöglichen. Ein solches Verhalten wird durch Einbau Oxidations Einheiten, wie Nitratgruppen in bestimmten Materialien der Formation realisiert. Zwei Beispiele bekannt als RDX (Cyclo-1,3,5-Trimethylen-2,4,6-trinitramine) und HMX (Cyclotetramethylentetranitramin) sind i gezeigtn 1, die im Großen und Ganzen sind die am meisten energetischen Materialien in den US-Verteidigungsministeriums (Department of Defense). Man beachte die Sauerstoffbilanz der Moleküle, die sich hinter der Stoßfront in der selbst fortpflanzende exotherme Reaktion führt.
Abbildung 1. RDX (Cyclo-1,3,5-Trimethylen-2,4,6-trinitramine, links) und HMX (Cyclotetramethylentetranitramin, rechts). Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Eine Möglichkeit, die Geschwindigkeit der Detonationsfront zu bestimmen, ist, seine Position als eine Funktion der Zeit zu überwachen. LWL-Detonationsgeschwindigkeit (FODV) Tests ausgeführt, um die Detonationsgeschwindigkeit eines explosiven Materials zu bestimmen. Ein Acrylhalterung wurde entwickelt, um die explosive Probe zu halten, und suchen Sie das optischeFasern in bekannten Abständen entlang der Ladelänge. Der Standardtest verwendet ein 5-Zoll lange von 0,75-Zoll Durchmesser explosive Probe mit fünf gesamte optische Fasern; die untere Faser 0,50 Zoll von der Unterseite der Ladung befindet und jede nachfolgende Faser 1-Zoll über dem nächsten liegt. Die Löcher in dem Acrylvorrichtung gebohrt sind zwei Stufenbohrungen. Der größere Durchmesser Loch ist so dimensioniert, Kern und Mantel der optischen Faser und der kleinere Durchmesser Loch dient als einem geschlossenen Luftraum zu passen. Da der Detonation durch die explosive Probe fortschreitet, erzeugt die Stoßwelle erregt das beschränkt Luftraum einen kurzen, hellen Blitz erzeugen, die mit den Faseroptik beobachtet werden kann.
Die Faseroptik für diesen Test besitzen eine kostengünstige Kunststoffkern verwendet. Aufgrund der destruktiven Natur des Tests und der Konsistenz der Luft Schock, wurden höhere Qualität Fasern nicht als erforderlich erwiesen hochwertigen Geschwindigkeitsdaten zu erhalten. Auf dem Testgelände Picatinny Arsenalverwendet summierten Photodioden das Licht von der Detonation in eine Spannung umzuwandeln. Die Amplitude der Spannungsspitze ist für die Zwecke dieses Tests unwichtig. Ein 1-GHz-Oszilloskop wird an die Photodiode Summierung Box angeschlossen, aber das Abtastrate über weit, was für diesen Test notwendig ist. Die optische Faser "Spitzen" können entweder durch erste Anstieg des Signals oder Spitzenwerte bestimmt werden. Angesichts des Abstandes zwischen den optischen Fasern und der Zeitdifferenz zwischen der Ankunft Detonation wird Detonationsgeschwindigkeit bestimmt.
Detonationsdruck
Detonationsdruck wird durch Messen der Tiefe Delle in einem Standard-Stahlplatte, resultierend aus der Sprengstoff der Detonation geschätzt. Dent Tiefen sind den bekannten Druckwerte für eine Vielzahl von explosiven Verbindungen korreliert. Normalerweise, da die meisten Explosivstoffe erfüllen die Chapman-Jouguet (CJ) Voraussetzung für eine Detonation auftreten, die Detonationsdruck ist in der Regel genanntals CJ Druck, und es wird in diesem Artikel von diesem Punkt vorwärts. Die Ladungsanordnung ist auf einer Stahlplatte gelegt, ein "Zeuge Platte", und die Detonation ergibt sich eine Delle in der Platte bezeichnet. Die Delle Tiefe, in der Standard-0,75-Zoll-Gebühr Durchmesser für zahlreiche explosive Materialien mit bekannten Detonationsdruck wird dann auf die Probe Delle Tiefe verglichen. Detonationsdruck von der Platte Delle ist eine zuverlässige Methode mit vielen Jahren dokumentierten Daten für akzeptable Korrelationen. Jedoch ist eine Detonation eine dynamische, schnelle chemische Reaktion, und in den letzten Jahren ist es wünschenswert geworden Werkzeuge mit höherer Auflösung zu verwenden, um den Druck-Zeit-Verlauf zu beobachten.
Sie können direkt zum Detonationsdruck eines explosiven messen, Photonic Doppler Velocimetry (PDV) können ebenfalls verwendet werden. Dieser Laser Interferometer-System wurde von Lawrence Livermore National Laboratory entwickelt und nutzt eine 1550 nm CW-Laserquelle. Durch den Laser auf ein bewegliches Ziel ein Lenkend Sammeln der Doppler-verschobene Licht, kann die resultierende Schwebungsfrequenz analysiert werden, um einen Geschwindigkeitsverlauf des Targets zur Verfügung zu stellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hochgeschwindigkeits-Foto-Techniken bieten diese Geschwindigkeit Spuren eine kontinuierliche Aufzeichnung der Geschwindigkeit des Ziels als Funktion der Zeit. Diese Messtechnik hat sich in den letzten Jahren erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen und ist allgegenwärtig in DoD und Department of Energy (DoE) explosive Charakterisierung Labors werden.
Um die CJ Druck eines neuen explosive ein PDV System berechnet werden, die Partikelgeschwindigkeit zwischen der explosiven und einem Polymethylmethacrylat (PMMA) Fenster zu messen. Eine sehr dünne Folien, meist aus Aluminium oder Kupfer, wird an dieser Grenzfläche platziert als Reflexionsfläche wirkt. In diesen Studien wurde Kupfer verwendet. Diese Folie sollte dünn genug sein, signifikante Abschwächung Schockwelle zu verhindern, während dick genug, um von der Detonation Licht zu verhindern, die durch. Typischerweise wird ein Foliendickevon 1.000 Angström ist für die meisten Versuchsaufbauten ideal. Angesichts der Partikelgeschwindigkeit in dem PMMA und die Detonationsgeschwindigkeit des Sprengstoffs kann die Detonationsdruck mit Hugoniot Schock passenden Gleichungen berechnet werden. 6
Während die FODV Test bei 0,75 "Ladung Durchmesser durchlaufen ein etablierter Standard bei ARDEC, PDV-basierten Tests ständig Verfeinerung. Je nach der explosiven Formulierung, entweder eine oder beide Tests können verwendet werden, Detonationsgeschwindigkeit und Detonationsdruck zu charakterisieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Beachten Sie die berechnete Druckunterschiede zwischen den beiden Sprengstoff-Formulierungen. Die aluminisierte explosive weist weniger Druck, teilweise durch weniger Nitramin (HMX) Laden, sondern auch, weil das Aluminium reagiert mit Sauerstoff in den expandierenden Detonationsgase, die von einem unteren Detonationsdruck in einem kleineren dent führt. Die PBXN-5 übt eine höhere Detonationsdruck aufgrund seiner höheren Gasgehalt bei einer Detonation im Vergleich zu PAX-30 (36,2 Mol / kg für PBXN-5 im Vergleich zu 33,1 Mol / kg für PAX-30). Fortgeschrittenere Zustandsgleichungen (EOS), die von Wand Geschwindigkeitsmessungen verwendet werden, um die Bedingungen der explosiven Produkte bei solch extremen Temperaturen und Drücken zu beschreiben. 10,11 Dies wird Gegenstand zukünftiger Handschriften sein.
Es war offensichtlich, dass, wenn frühzeitige Reaktion eines Metalls in einer explosiven auftritt, ist die erfasste Detonationsgeschwindigkeit niedriger, als wenn das Metall nicht reagiert. Dies ist etwas kontraintuitiv; einswürde erwarten, dass die Geschwindigkeit, wenn mehr Energie Ablagerungen in den expandierenden Detonationsfront durch exotherme Reaktion von Aluminium zu erhöhen. Die Abnahme der Detonationsgeschwindigkeit ergibt sich aus Lösungen für die Druckdichte Hugoniots. Das spezifische Volumen (inverse Dichte) -Druck Isentrope bezeichnet Änderungen in als Produkte aus der Detonation erweitern (von in Abbildung 9 links nach rechts). 6 Die Erweiterung Isentrope repräsentiert solche Detonation Produkte, die thermodynamisch bilden können und entlang der druckspezifischen Volumenkurve erweitern . Im Verlauf der Expansion, wenn der Aluminium oxidierte Spezies zu bilden, reagiert, kommt es zu einer allgemeinen Abnahme der Dichte des Gases und führt zu einer geringeren Geschwindigkeit. Dieser wird in einer Expansions Isentrope unterhalb der Lösung für die nicht-reaktive Aluminium (Abbildung 9) manifestiert. Da die Detonationsgeschwindigkeit der Tangente schneidenden Isentrope vom Ausgangsdichte auf der x-Achse ist, ist es die Detonation v offensichtlicheLocity muß abnehmen, wenn das Aluminium in der Formulierung reagiert.
Zusammenfassend geht die United States Department of Defense, um aktiv die angewandte Forschung und Charakterisierung von neuen energetischen Materialien mit traditionellen und neuen Technologien verfolgen. Im Falle von PDV, ist es ein wertvolles Instrument, die Sprengstoffe mit extremer Genauigkeit und liefert den Forschern wertvolle Einblicke in die explosive Wirksamkeit auszeichnet. Diese schnelle Testzyklus verringert sich erheblich Kosten und die für die Formulierung Optimierung und Prüfungsanforderungen benötigt Zeit.
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).
