Ricerca e sviluppo di esplosivi ad alte prestazioni
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
test di sviluppo di esplosivi ad alto potenziale per applicazioni militari coinvolge formulazione su piccola scala, test di sicurezza, e, infine, test di performance di detonazione per verificare calcoli teorici. su piccola scala per le formulazioni di nuova concezione, il processo inizia con miscele di piccola scala, test termici, e l'impatto e la sensibilità di attrito. Solo allora le successive formulazioni su scala più ampia procedere ai test di detonazione, che sarà coperto in questo documento. Recenti progressi nelle tecniche di caratterizzazione hanno portato a ineguagliabile precisione nella caratterizzazione dell'evoluzione precoce tempo di detonazioni. La nuova tecnica di foto-Doppler velocimetria (PDV) per la misura di pressione di detonazione e velocità sarà condiviso e confrontato con velocità di detonazione tradizionale fibra ottica e la piastra-dent calcolo della pressione di detonazione. In particolare, sarà discusso il ruolo di alluminio nella formulazione di un esplosivo. Recenti sviluppi hanno portato allo sviluppo di f esplosivoormulations che provocano la reazione di alluminio molto presto la espansione del prodotto detonazione. Questa reazione migliorato porta a cambiamenti nella velocità di detonazione e pressione dovuta alla reazione dell'alluminio con ossigeno nei gas prodotti in espansione.
Introduction
Sviluppo di esplosivi ad alto potenziale per l'uso militare comporta ampie considerazioni di sicurezza e le limitazioni di risorse a causa di requisiti dei centri di saggio. Allo US Army Armament ricerca e sviluppo e di comando Engineering (ARDEC), Picatinny Arsenal, esplosivi vengono valutati dal livello di ricerca attraverso il monitoraggio del ciclo di vita piena e smilitarizzazione. I nuovi esplosivi che sono più sicuri per la movimentazione, lo stoccaggio e il caricamento sono continuamente valutati, nel tentativo di fornire munizioni efficaci e sicuri per i combattenti. recente legge impone che, quando possibile, le munizioni insensitive (IM) linee guida ei requisiti sono seguiti. Pertanto, ogni volta nuovi esplosivi sono sintetizzati e formulati, test delle prestazioni è fondamentale per assicurare che soddisfino le esigenze degli utenti. In questo contesto, la misura di proprietà detonazione di recente sviluppato PAX-30 viene confrontato con il PBXN-5, un tradizionale esplosivo elevate prestazioni. In particolare, la misura del suo velo di detonazionecittà e di detonazione a pressione, che sono importanti per la verifica dei modelli teorici e calcoli delle prestazioni, è condivisa. Il PAX-30 è stato sviluppato per sostituire esplosivi legacy come PBXN-5 utilizzando alluminio reattiva.
Alluminio possiede una elevata entalpia di ossidazione alluminio su una base per molare:
2al + 3/2 O 2 -> Al 2 O 3 (1.670 kJ / mol)
Con l'aggiunta di alluminio al posto degli ingredienti esplosivi sensibili agli shock, la formulazione è reso più sicuro da urti e pericolo insulti esterni. Questo aiuta in modo efficace soddisfare Insensitive Munition (IM) requisiti Nazioni Unite, mentre allo stesso tempo mantenendo le prestazioni necessarie per le applicazioni militari 2,3.4.
Le strutture per testare tali articoli sono unici e altamente specializzato. Alcuni test iniziali sono eseguite a schermo esplosivi prima dell'uso in grandi quantità. Ttest ueste includono caratterizzazione termica con calorimetria differenziale a scansione (DSC) e prove di urto e attrito. Per le prove DSC, un campione piccolo viene riscaldato a una velocità costante in atmosfera inerte, e la quantità e la direzione del flusso di calore viene monitorata. Per prove di impatto e di attrito, il campione viene sottoposto ad insulti da un peso che cade standardizzato (Bundesanstalt fur Materialprüfung, o BAM Impact), e per la prova di attrito un perno in ceramica standardizzato e piatto (Bundesanstalt fur Materialprüfung, o BAM attrito). 5
Una volta che le formulazioni sono considerati sicuri per il maneggiamento, ulteriori scale-up viene realizzato tecnologie di miscelazione proprietarie. In breve, esplosivi ad alto potenziale si dividono in tre categorie:
Melt-cast, in cui il legante è un materiale fuso fase come una cera, tritolo (TNT), dintroanisole (DNAN), o altro materiale fusibile. solidi energetici o di carburante possono essere incorporate con un attento esame del pardimensione ticolo e compatibilità.
Cast-cure, in cui il legante è un polimero calcinabile, come polibutadiene idrossile terminali (HTPB), poliacrilato, o altro tipo epossidico plastica che è liquido nel suo stato non reagito, ma anche dopo l'inizio solidifica ad un solido. Solidi sono incorporati nella matrice durante il suo stato liquido.
Pressato, in cui il carico di solidi è molto elevata, spesso avvicinandosi quasi il 95% in peso, con un legante che viene aggiunto per rivestire i solidi utilizzando un processo lacca o estrusione.
Una volta premuto o cast, i materiali vengono lavorati usando metodologie standard per ottenere la geometria corretta per un test desiderato. In questo lavoro, PAX-30 e PBXN-5 sono ad alte prestazioni premuto esplosivi. Le formulazioni sono effettuati tramite un processo slurry-coating, in cui i cristalli nitramine energetici (HMX, RDX o CL-20) e alluminio particelle sono sospese in una soluzione acquosa. Una lacca con l'i raccoglitore proprietarias poi aggiunto. Al momento dell'aggiunta lacca, i cappotti polimeriche i cristalli esplosive, la sospensione viene riscaldata sotto vuoto per allontanare il solvente e le particelle vengono filtrati ed essiccati. Le particelle granulari come vengono poi pressati per la configurazione desiderata.
Detonation Velocity
Per determinare la velocità di detonazione, si deve monitorare l'arrivo del fronte di detonazione nel materiale. Una detonazione viene definita come una autosufficiente aumento istantaneo della pressione e della temperatura che è più veloce rispetto alla velocità del suono nel materiale. Diventa autosufficiente quando la temperatura e la pressione sono sufficienti a fornire reazioni esotermiche dietro il fronte di reazione di moltiplicazione. Tale comportamento è realizzata incorporando porzioni ossidanti quali gruppi di nitrati in certi materiali di formazione. Due esempi conosciuti come RDX (ciclo-1,3,5-trimetilene-2,4,6-trinitramine) e HMX (cyclotetramethylenetetranitramine) sono riportati in figura 1, che in generale sono i materiali energetici più utilizzati negli Stati Uniti DoD (Dipartimento della Difesa). Nota bilancio di ossigeno delle molecole, che si traduce nella reazione esotermica auto-propagazione dietro il fronte d'urto.
1. RDX (ciclo-1,3,5-trimetilene-2,4,6-trinitramine, a sinistra) Figura e HMX (cyclotetramethylenetetranitramine, a destra). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Un modo per determinare la velocità del fronte di detonazione è quello di monitorare la sua posizione in funzione del tempo. velocità di detonazione (FODV) test fibra ottica viene eseguita per determinare la velocità di detonazione di un materiale esplosivo. Un apparecchio acrilico è stato progettato per contenere il campione esplosivo, e individuare otticofibre a distanze conosciute giù la lunghezza di carica. Il test standard utilizza un 5 pollici di lunghezza per esempio esplosivo diametro di 0,75 pollici con cinque fibre ottiche totali; la fibra fondo si trova 0,50 pollici dal fondo della carica e ciascuna fibra successiva si trova 1 pollice sopra l'altro. I fori nel dispositivo acrilico sono due gradini-fori. Il foro diametro maggiore è dimensionato per adattarsi al nucleo e il rivestimento della fibra ottica e il foro di diametro inferiore funge da intercapedine confinato. Come la detonazione progredisce attraverso il campione esplosiva, l'onda d'urto prodotta eccita lo spazio aereo ristretto la produzione di un breve, lampo luminoso che si può osservare con le fibre ottiche.
Le fibre ottiche usate per questo test possiedono un nucleo di plastica poco costoso. A causa della natura distruttiva del test e la consistenza dello shock dell'aria, fibre di qualità superiore non sono risultati essere necessario mantenere i dati di velocità di alta qualità. L'impianto di prova a Picatinny Arsenalutilizza fotodiodi sommati per tradurre la luce dalla detonazione in tensione. L'ampiezza del picco di tensione non è importante ai fini di questa prova. Un oscilloscopio 1 GHz è collegato alla scatola di somma fotodiodo, anche se tale velocità di campionamento è molto al di là di quanto necessario per questo test. Le fibre "picchi" ottici possono essere fissati o da primo aumento dei valori di segnali o di picco. Data la distanza tra le fibre ottiche e la differenza di tempo tra l'arrivo di detonazione, velocità di detonazione è quindi determinato.
Detonation pressione
pressione di detonazione è stimata misurando la profondità ammaccatura in una risultante lamiera di acciaio standard dalla detonazione della esplosiva. profondità Dent sono ben correlati ai valori di pressione noti per una varietà di composti esplosivi. Di solito, poiché la maggior parte degli esplosivi soddisfano la condizione di Chapman-Jouguet (CJ) per una detonazione si verifichi, la pressione di detonazione è in genere di cuila pressione CJ, e sarà da questo punto in avanti in questo articolo. Il complesso di carica è posto sulla sommità di una piastra di acciaio, chiamato "piatto testimone", ed i risultati di detonazione in un incavo nella piastra. La profondità ammaccatura al diametro standard di carica da 0,75 pollici per numerosi materiali esplosivi con note pressioni di detonazione viene poi confrontata con la profondità di prova ammaccatura. pressione di detonazione per l'ammaccatura piatto è un metodo affidabile con molti anni di dati documentati per le correlazioni accettabili. Tuttavia, una detonazione è una reazione chimica dinamica veloce, e negli ultimi anni è diventato desiderabile utilizzare utensili con maggiore risoluzione per osservare la storia pressione-tempo.
Per misurare direttamente la pressione di detonazione di un esplosivo, Photonic Doppler Velocimetry (PDV) può anche essere usato. Questo sistema interferometro laser è stato sviluppato da Lawrence Livermore National Laboratory e utilizza una sorgente laser nm 1.550 CW. Orientando il laser a un bersaglio in movimentod raccogliere la luce, la frequenza di battimento risultante Doppler-shifted può essere analizzata per fornire una traccia di velocità del bersaglio. A differenza delle tecniche fotografiche tradizionali ad alta velocità, queste tracce di velocità forniscono una registrazione continua della velocità del bersaglio come una funzione del tempo. Questa tecnica di misurazione ha maturato una significativa attenzione negli ultimi anni e sta diventando onnipresente in DoD e Department of Energy (DoE) laboratori di caratterizzazione esplosivi.
Per calcolare la pressione CJ di un nuovo esplosivo, un sistema PDV può essere utilizzato per misurare la velocità delle particelle tra il esplosiva e una finestra polimetilmetacrilato (PMMA). Una pellicola molto sottile, generalmente alluminio o rame, è posto a questa interfaccia per agire come una superficie riflettente. In questi studi, è stato utilizzato il rame. Questa pellicola dovrebbe essere abbastanza sottile per evitare scosse significativa attenuazione dell'onda pur essendo abbastanza spessa da impedire alla luce di passare attraverso la detonazione. Tipicamente, uno spessore laminadi 1.000 Angstrom è ideale per configurazioni più sperimentali. Data la velocità delle particelle in PMMA e la velocità di detonazione dell'esplosivo, la pressione di detonazione può essere calcolato con le equazioni urti corrispondenza Hugoniot. 6
Mentre il test FODV a 0.75 diametro carica "è uno standard stabilito a ARDEC, test PDV-based sono continuamente in fase di perfezionamento. A seconda della formulazione esplosiva, uno o entrambi i test possono essere utilizzati per caratterizzare velocità di detonazione e pressione di detonazione.
Protocol
Representative Results
Discussion
Notare le differenze di pressione calcolate tra le due formulazioni esplosive. I reperti esplosive alluminizzati meno pressione, parzialmente dovuto meno nitramine (HMX) caricamento, ma anche perché l'alluminio reagisce con l'ossigeno nei gas di detonazione espansione, che si traduce in un dente più piccolo da una pressione di detonazione inferiore. Il PBXN-5 esercita una pressione di detonazione superiore a causa del suo elevato contenuto di gas di detonazione rispetto al PAX-30 (36,2 moli / kg per PBXN-5 contro 33,1 moli / kg per PAX-30). Più equazioni avanzate di stato (EOS) derivato da misure di velocità a parete sono usati per descrivere le condizioni dei prodotti esplosivi a temperature e pressioni estreme. 10,11 Questo sarà oggetto di manoscritti futuri.
Era evidente che quando si verifica la reazione iniziale di un metallo in un esplosivo, la velocità di detonazione rilevato è inferiore se il metallo non reagisce. Questo è un po 'controintuitivo; unosi aspetta la velocità di aumentare se più depositi di energia nella parte anteriore di detonazione in espansione a causa della reazione esotermica di alluminio. La diminuzione della velocità di detonazione deriva da soluzioni ai Hugoniots pressione densità. Il volume specifico (densità inversa) a pressione positiva isentrope denota variazioni come prodotti dalla detonazione espandono (da sinistra a destra in figura 9). 6 La isentrope espansione rappresenta quei prodotti detonazione che può termodinamicamente formare ed espandere lungo la curva volume specifico pressione . Nel corso dell'espansione, se l'alluminio reagisce formando specie ossidate, si traduce in una diminuzione complessiva della densità del gas e conduce ad una velocità inferiore. Questo si manifesta in un isentrope espansione sotto la soluzione per l'alluminio non reattivo (Figura 9). Poiché la velocità di detonazione è tangente interseca il isentrope dalla densità di partenza sulla asse x, è evidente la detonazione veLocity deve diminuire quando l'alluminio nella formulazione reagisce.
In sintesi, il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti continua a perseguire attivamente la ricerca applicata e la caratterizzazione di nuovi materiali energetici con entrambe le tecnologie tradizionali e innovative. Nel caso del PDV, è uno strumento prezioso che caratterizza esplosivi con estrema precisione e fornisce ai ricercatori informazioni preziose sull'efficacia esplosivo. Questo ciclo di prova rapida riduce notevolmente i costi e il tempo necessario per l'ottimizzazione formulazione e requisiti di verifica.
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).
