מחקר ופיתוח של חומרי נפץ ביצועים גבוהים
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
בדיקות התפתחותיות של חומרי נפץ גבוהים עבור יישומים צבאיים כרוכות ניסוח בקנה מידה קטנה, בדיקות בטיחות, ולבסוף בדיקות ביצועי פיצוץ לאמת חישובים תיאורטיים. בקנה מידה קטן על ניסוחים חדשים שפותח, התהליך מתחיל עם תערובות בקנה המידה קטן, בדיקות תרמיות, והשפעה ורגישה חיכוך. רק אז לעשות ניסוחים מידה עוקבות גדול להמשיך בדיקות פיצוץ, אשר יכוסו במאמר זה. התקדמות טכניקות אפיון הובילה דיוק ללא תחרות באפיון של תחילת אבולוציה בזמן של פיצוצים. הטכניקה החדשה של velocimetry צילום דופלר (PDV) למדידת לחץ פיצוץ ומהירות ישותף ולעומת מהירות התפוצצות סיבים אופטיים מסורתיים חישוב צלחת-שקע לחץ פיצוץ. בפרט, תפקיד אלומיניום בניסוחי נפץ יידון. ההתפתחויות האחרונות הוביל לפיתוח של f נפץormulations שתוצאתן התגובה של אלומיניום מוקדם מאוד בהרחבת מוצר פיצוץ. תגובה משופרת זה מוביל לשינויים המהירים ההתפוצצות והלחץ עקב תגובה של האלומיניום עם חמצן מוצרי הגז מתרחב.
Introduction
פיתוח של חומרי נפץ לשימוש צבאיים כרוך בשיקולי בטיחות נרחבות והגבלת משאבים עקב דרישות מתקן בדיקה. באותו מחקר חימוש הצבא ארה"ב ופיתוח והנדסת הפיקוד (ARDEC), Picatinny Arsenal, חומרי נפץ מוערכים מרמת המחקר באמצעות ניטור ופירוז מחזור חיים מלאים. חומרי נפץ חדשים כי הם בטוחים יותר עבור טיפול, אחסון, וטעינה מוערכים ברציפות במאמץ לספק תחמושת יעילה ובטוחה עבור Warfighter. החוק האחרון מכתיב כי בכל הזדמנות האפשרית, תחמושת רגישות (IM) הנחיות ודרישות הן אחריו. לכן, בכל פעם נפץ חדש מסונתז וגבש, בדיקות ביצועים הוא בעל חשיבות עליונה כדי להבטיח שהן עומדות בדרישות המשתמש. בהקשר זה, מדידת נכסי פיצוץ PAX-30 החדש שפותח מושווה עם PBXN-5, חומר נפץ ביצועים מסורתי גבוהים. בפרט, מדידת velo הפיצוץ שלהלחץ עיר פיצוץ, אשר חשובים לצורך אימות של מודלים תיאורטיים חישובי ביצועים, היא משותפת. PAX-30 פותח כדי להחליף חומרי נפץ מורשת כגון PBXN-5 באמצעות אלומיניום תגובתי.
אלומיניום בעל אנתלפיה גבוה של חמצון כמו אלומיניום על בסיס לכל טוחנת:
2Al + 3/2 O 2 -> אל 2 O 3 (1,670 kJ / mol)
על ידי הוספת אלומיניום במקום מרכיבי הנפץ הרגישים בהלם, ניסוח מוצג יותר בטוח עלבונות הלם מפגע חיצוניים. זה למעשה מסייע למלא תחמושת רגישות (IM) דרישות האו"ם בעוד באותו הזמן לשמור על ביצועים דרושים עבור יישומים צבאיים. 2,3.4
המתקנים לבדוק פריטים כאלה הם ייחודיים מאוד מיוחדים. כמה בדיקות ראשוניות מבוצעות להקרין נפץ לפני טיפול בכמויות גדולות. Tבדיקות hese כוללים אפיון תרמית עם סריקה calorimetry דיפרנציאלי (DSC) וההשפעה ובדיקות חיכוך. עבור בדיקות DSC, מדגם הבדיקה קטן מחומם בקצב קבוע באווירה אינרטי, ואת הסכום ואת הכיוון של זרימת החום מנוטר. עבור בדיקות השפעה והחיכוך, מדגם הוא עלבונות מן המשקל נופל טופל (Bundesanstalt הפרווה Materialprufung, או השפעת BAM), ועבור בדיקת חיכוך סיכת קרמיקה סטנדרטית צלחת (Bundesanstalt הפרווה Materialprufung, או חיכוך BAM). 5
לאחר הניסוחים נחשבים בטוחים לטיפול, נוסף בהיקף של עד מושגת על ידי טכנולוגיות ערבוב קניינים. בקיצור, חומרי נפץ מתחלקים לשלוש קטגוריות:
ממסים יצוקים, שבו קלסר הוא חומר להמס פאזיים כמו שעווה, trinitrotoluene (TNT), dintroanisole (DNAN), או חומר מָסִיס אחר. מוצקים אנרגטיים או דלק יכולים להיות משולב עם שיקול דעת מעמיק של נקובגודל ותאימות ticle.
תרופת עופרת, שבו קלסר הוא פולימר ניתן ליציקה, כגון polybutadiene הסתיים הידרוקסיל (HTPB), polyacrylate, או פלסטיק אפוקסי-סוג אחר כי הוא נוזל במצבו unreacted, אלא על ייזום מבצר למוצק. מוצקים ישולבו מטריקס במהלך במצב הנוזלי שלה.
לחוץ, שבו טעינת מוצקים מאוד גבוהה, לעתים קרובות מתקרב כמעט 95% לפי משקל, עם קלסר בו מתווסף מעיל מוצקים באמצעות תהליך לכה או שחול.
ברגע לחוץ או יצוק, החומרים במכונה באמצעות מתודולוגיות תקן להשיג גיאומטריה נכונה למבחן רצוי. במאמר זה, PAX-30 ו PBXN-5 הם בעלי ביצועים גבוהים לחוץ נפץ. הניסוחים מבוצעים באמצעות תהליך slurry-ציפוי, שבה גבישי nitramine אנרגטיים (HMX, RDX, או CL-20) וחלקיקי אלומיניום מושעים בתמיסה מימית. לכה עם i קלסר קנייניתים ואז הוסיף. עם תוספת לכה, המעילים פולימר גבישי הנפץ, ההשעיה מחוממת תחת ואקום ולסלק את הממס, לבין חלקיקים מסוננים אז מיובש. חלקיקי הגרגר דמוי אז נלחצים לתצורה הרצויה.
מהירות התפוצצות
על מנת לקבוע את מהירות ההתפוצצות, אחד חייב לפקח על ההגעה של חזית הפיצוץ בחומר. פיצוץ מוגדר כעלייה מיידית עצמית לקיום בלחץ וטמפרטורה כי הוא מהר יותר ממהירות הקול בחומר. זה יהיה בר קיימא פעם הטמפרטורה ולחץ מספיקים כדי לספק תגובות אקסותרמית מאחורי חזית תגובת הפצה. התנהגות כזו מתממשת על ידי שילוב moieties חמצון כגון קבוצות ניטראט בחומרים מסוימים של ההיווצרות. שתי דוגמאות המכונה RDX (סיקלו-1,3,5-trimethylene-2,4,6-trinitramine) ו HMX (cyclotetramethylenetetranitramine) מוצגים in איור 1, אשר על פי רוב הם החומרים האנרגטיים ביותר בשימוש בארה"ב DoD (משרד ההגנה). הערת איזון החמצן של המולקולות, שתוצאתה התגובה אקסותרמית הפצה העצמית מאחורי בהלם לחזית.
איור 1. RDX (סיקלו-1,3,5-trimethylene-2,4,6-trinitramine, משמאל) HMX (cyclotetramethylenetetranitramine, מימין). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
דרך אחת כדי לקבוע את המהירות של חזית הפיצוץ היא לפקח עמדתה כפונקציה של זמן. סיבים אופטיים מהיר התפוצצות (FODV) בדיקות מתבצעות על מנת לקבוע את מהירות ההתפוצצות של חומר נפץ. מקבע אקריליק נועד להחזיק מדגם הנפץ, ולאתר את אופטייםסיבי במרחקים ידועים לאורך תשלום. המבחן סטנדרטי משתמש אינץ 5-ארוך על ידי מדגם נפץ בקוטר 0.75 אינץ 'עם חמישה סיבים אופטיים הכוללים; הסיב התחתון ממוקם 0.50 אינץ 'מתחתית האישום וכל סיבים רצופים ממוקם 1 אינץ' מעל הבא. חורים שנקדחו ב הנורה אקריליק חורים שני-צעד. החור בקוטר הגדול יותר הוא בגודל כדי להתאים את הליבה והחיפוי של הסיבים האופטיים ואת החור בקוטר הקטן משמש במרחב אווירי מוגבל. כמו פיצוץ התקדמות דרך מדגם הנפץ, גל הלם מיוצר מלהיב את המרחב האווירי המוגבל לייצר הבזק קצר, בהיר שניתן לצפות עם הסיבים אופטיים.
הסיבים האופטיים המשמש לבדיקה זו יש גרעין פלסטיק זול. בשל אופייה ההרסני של הבדיקה ואת העקביות של לבולם, סיבים באיכות גבוהה יותר לא נמצאו להיות נחוץ כדי לשמור נתונים מהירים באיכות גבוהה. מתקן הבדיקה Picatinny ארסנלמשתמש photodiodes סיכם לתרגם בין האור ובין פיצוץ לתוך מתח. משרעת של ספייק מתח הוא חסר חשיבות לצורך בדיקה זו. אוסצילוסקופ 1-GHz מחוברת תיבת סיכום פוטודיודה, למרות קצב הדגימה כי הוא הרבה מעבר לנדרש עבור בדיקה זו. הסיב האופטי "פסגות" יכול להיקבע על סמך העלייה הראשונה של ערכי אות או שיא. בהינתן המרחק בין סיבים אופטיים הפרש השעות בין ההגעה פיצוץ, מהירות התפוצצות נקבע אז.
לחץ פיצוץ
לחץ פיצוץ מוערך על ידי מדידת עומק השקע בתוך כתוצאת צלחת פלדה רגילה מן הפיצוץ של הנפץ. במעמקי דנט מתואמים היטב ערכי לחץ ידוע עבור מגוון רחב של תרכובות נפץ. בדרך כלל, שכן רוב חומרי הנפץ לספק את צ'פמן-Jouguet (CJ) כתנאי פיצוץ להתרחש, לחץ הפיצוץ מכונה בדרך כללכמו CJ לחץ, וזה יהיה מכאן ולהבא במאמר זה. עצרת התשלום מושמת על גבי צלחת פלדה, שנקראה "צלחת עד", ותוצאות הפיצוץ בתוך שקע הצלחת. עומק שקע בבית בקוטר תשלום 0.75 אינץ 'סטנדרטי עבור חומרים רבים נפץ עם לחצים פיצוץ ידוע אז מושווית עומק שקע הבדיקה. לחץ פיצוץ ידי שקע הצלחת היא שיטה אמינה עם שנים רבות של נתונים מתועדים עבור מתאמים מקובלים. עם זאת, פיצוץ הוא תגובה כימית דינמי, מהיר, ובשנים האחרונות זה הפך להיות רצוי לנצל כלים עם רזולוציה גבוהה יותר להתבונן בהיסטוריה לחץ-זמן.
כדי למדוד את לחץ הפיצוץ ישירות של חומר נפץ, פוטוניים דופלר velocimetry (PDV) יכול לשמש גם. מערכת אינטרפרומטר לייזר זו פותחה על ידי המעבדה הלאומית לורנס ליברמור ו מנצל 1,550 מקור לייזר CW ננומטר. על-ידי הכוונת לייזר בכל מטרה נעהד איסוף דופלר העביר אור, את תדירות הדופק וכתוצאה מכך ניתן לנתח לספק עקבות מהירות של היעד. שלא כמו טכניקות צילום במהירות גבוהה המסורתית, עקבות מהירות אלה מספקים תיעוד רציף של מהירות של היעד כפונקציה של זמן. שיטת המדידה זה זכה לתשומת לב משמעותית בשנים האחרונות והוא הופכת נפוצה ב DoD ואת מחלקת האנרגיה (DOE) מעבדות אפיון נפץ.
על מנת לחשב את הלחץ CJ של חומר נפץ חדש, מערכת PDV ניתן להשתמש כדי למדוד את מהירות החלקיקים בין נפץ וחלון polymethyl methacrylate (PMMA). רדיד דק מאוד, בדרך כלל אלומיניום או נחושת, מושם על הממשק הזה לפעול כמשטח רעיוני. במחקרים אלה, נחושת הייתה בשימוש. רדיד זה אמור להיות רזה מספיק כדי למנוע הנחתת גל הלם משמעותי בעת היותו עבה מספיק כדי למנוע מאור הפיצוץ מן העובר. בדרך כלל, עובי רדידשל 1,000 אנגסטרם הוא אידיאלי עבור setups הניסיוני ביותר. בהינתן מהירות חלקיקי PMMA ואת מהירויות ההתפוצצות של חומר נפץ, לחץ הפיצוץ ניתן לחשב עם משוואות התאמת הלם Hugoniot. 6
בעוד מבחן FODV ברמה של 0.75 "קוטר תשלום הנו התקן הוקם ב ARDEC, בדיקות מבוססות PDV עוברות עידון רף. בהתאם לניסוח הנפץ, אחד או בדיקות שניהם יכולים לשמש כדי לאפיין מהירות התפוצצות ולחץ פיצוץ.
Protocol
Representative Results
Discussion
שימו לב להבדלים בלחץ מחושב בין שני הניסוחים נפץ. מייצגי הנפץ מצופים האלומיניום פחות לחץ, בין השאר בגלל פחות nitramine (HMX) טוען, אלא גם בגלל האלומיניום מגיב עם חמצן בגזי הפיצוץ מתרחב, שתוצאתה שקע קטן מלחץ פיצוץ נמוך. PBXN-5 מפעיל לחץ פיצוץ גבוה בשל תכולת הגז הגבוהה שלה על פיצוץ לעומת PAX-30 (36.2 שומות / קילו עבור PBXN-5 לעומת 33.1 שומות / קילו עבור PAX-30). עוד משוואות מתקדמות של המדינה (EOS) הנגזר ממדידות מהירות קיר משמשות כדי לתאר את תנאי מוצרי הנפץ בטמפרטורות ולחצים קיצוניים כאלה. 10,11 זה יהיה נושא של כתבי יד בעתיד.
היה ברור שכאשר תגובה מוקדם של מתכת חומר נפץ מתרחשת, מהירויות ההתפוצצות זוהו היא נמוכה יותר מאשר אם המתכת אינה מגיבה. זה מעט לאינטואיציה; אֶחָדהיה לצפות את מהירות להגדיל אם פיקדונות יותר אנרגיה לתוך החלק הקדמי פיצוץ הרחבת עקב תגובה של אלומיניום אקסותרמית. הקיטון מהיר התפוצצות נובע פתרונות Hugoniots לחץ בצפיפות. ההיקף המסוים (הצפיפות הפוכה) -pressure isentrope מציין שינויים כמוצרים מן הפיצוץ להרחיב (מהשמאל לימין באיור 9). 6 isentrope ההרחבה מייצג אותם מוצרי פיצוץ כי יכולים להיוצר מבחינה תרמודינמית ולהרחיב לאורך עקומת נפח לחץ ספציפי . במהלך של התרחבות, אם אלומיניום מגיב ליצירת מינים חמצון, התוצאה היא ירידה כללית צפיפות של גז מוביל מהירות נמוכה. זה בא לידי ביטוי isentrope רחבה מתחת פתרון האלומיניום הלא מגיב (איור 9). מאז מהירויות ההתפוצצות הוא המשיק מצטלב isentrope מן הצפיפות המוצא על ציר ה- x, נראה נ הפיצוץelocity חייב לרדת כאשר האלומיניום בניסוח מגיב.
לסיכום, מח' ההגנה של ארצות הברית ממשיכה לעסוק במחקר ואפיון שימושיים הפעילה של חומרים אנרגטיים חדשים עם שתי בטכנולוגיות מסורתיות רומן. במקרה של PDV, זה הוא כלי רב ערך מאפיינת נפץ עם דיוק קיצוני ומספק חוקרים עם תובנה חשובה באשר לאפקטיביות הנפץ. מחזור בדיקה מהירה זו פוחתת העלות באופן משמעותי את הזמן הנדרש לצורך אימות אופטימיזציה ודרישות ניסוח.
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).
