Pesquisa e Desenvolvimento de explosivos de alto desempenho
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
testes de desenvolvimento de explosivos de alta potência para aplicações militares envolve a formulação de pequena escala, testes de segurança, e, finalmente, os testes de desempenho de detonação para verificar cálculos teóricos. em pequena escala Para formulações recentemente desenvolvidos, o processo inicia-se com misturas de pequena escala, um teste térmico e impacto e sensibilidade atrito. Só então formulações posteriores de maior escala proceder a testes de detonação, que será abordado neste trabalho. Recentes avanços em técnicas de caracterização levaram a precisão sem paralelo na caracterização da evolução em tempo precoce de detonações. A nova técnica de velocimetria foto-Doppler (PDV) para a medição da pressão e da velocidade de detonação será partilhada e comparada com a velocidade de detonação de fibra óptica e a placa-Dent cálculo tradicional de pressão de detonação. Em particular, será discutido o papel de alumínio em formulações explosivas. Desenvolvimentos recentes levou ao desenvolvimento de f explosivoormulations que resultam na reacção de alumínio muito cedo na expansão do produto de detonação. Esta reacção aumentada leva a alterações na velocidade de detonação e devido à pressão da reacção do alumínio com o oxigénio nos produtos de gás em expansão.
Introduction
Desenvolvimento de altos explosivos para uso militar envolve considerações de segurança extensas e limitações de recursos, devido às exigências da instalação de ensaio. No Armament Research Exército dos EUA e Desenvolvimento e Comando de Engenharia (ARDEC), Picatinny Arsenal, explosivos são avaliados a partir do nível de pesquisa através da monitorização do ciclo de vida completo e desmilitarização. Novos explosivos que são mais seguros para o manuseio, armazenamento e carregamento são continuamente avaliados em um esforço para fornecer munições eficazes e seguros para o combatente. recente lei determina que, sempre que possível, munições Insensitive (IM) diretrizes e requisitos são seguidos. Portanto, sempre que novos explosivos são sintetizados e formulado, testes de desempenho é fundamental para garantir que atendam as necessidades dos utilizadores. Neste contexto, a medição das propriedades de detonação PAX-30 recentemente desenvolvido é comparado com o PBXN-5, um explosivo de alta performance tradicional. Em particular, a medição do seu velo de detonaçãocidade e detonação de pressão, que são importantes para a verificação de modelos teóricos e cálculos de desempenho, é compartilhado. A PAX-30 foi desenvolvido para substituir explosivos legados, como PBXN-5 usando alumínio reativo.
Alumínio possui uma entalpia elevada de oxidação como o alumínio, numa base molar por:
2Al + 3/2 O2 -> Al 2 O 3 (1,670 kJ / mol)
Ao adicionar alumínio em lugar dos ingredientes explosivos sensíveis choque, a formulação torna-se mais segura a insultos de choque e de perigo externos. Isso ajuda a efetivamente cumprir Insensitive Munition (IM) requisitos Nações Unidas e, ao mesmo tempo mantendo o desempenho necessário para aplicações militares 2,3.4.
As instalações para testar tais itens são únicos e altamente especializado. Alguns testes iniciais são realizados para rastrear explosivos antes de manusear em grandes quantidades. Ttestes stas incluem caracterização térmica com calorimetria exploratória diferencial (DSC) e ensaios de choque e de fricção. Para os ensaios de DSC, uma pequena amostra de teste é aquecida a uma taxa constante, numa atmosfera inerte, e a quantidade e direcção do fluxo de calor é monitorizado. Para os testes de impacto e de fricção, a amostra é submetido a insultos de um peso caindo padronizado (Bundesanstalt fur Materialprüfung ou BAM Impact), e para o teste de atrito de um pino de cerâmica padronizado e placa (Bundesanstalt fur Materialprüfung, ou Friction BAM). 5
Uma vez que as formulações são considerados seguros para o manuseio, ainda scale-up é realizado por tecnologias de mistura de propriedade. Em suma, explosivos de alta potência se dividem em três categorias:
Derreter-fundido, em que o ligante é um material em fase fundida tal como uma cera, trinitrotolueno (TNT), dintroanisole (DNAN), ou outro material fundível. sólidos energéticas ou de combustível pode ser incorporado com uma análise cuidadosa do partamanho tigo e compatibilidade.
Cast-cura, em que o ligante é um polímero fundível, tais como polibutadieno com terminação hidroxilo (HTPB), poliacrilato, ou qualquer outro tipo epóxi de plástico que é líquido no seu estado não reagido, mas após o início solidifica a um sólido. Os sólidos são incorporados na matriz durante o seu estado líquido.
Pressionada, em que a carga de sólidos é muito elevada, muitas vezes aproximando-se cerca de 95% em peso, com um agente ligante que é adicionado para revestir os sólidos utilizando um processo de extrusão ou laca.
Uma vez pressionado ou fundido, os materiais são maquinados utilizando metodologias padrão para se obter a geometria adequada para um teste desejado. Neste trabalho, PAX-30 e PBXN-5 são de alto desempenho pressionado explosivos. As formulações são feitas através de um processo de suspensão de revestimento, em que os cristais nitramine energéticos (HMX, RDX, ou Cl-20) e de alumínio partículas são suspensas numa solução aquosa. A laca com o ligante i proprietárias, em seguida, adicionado. Após a adição de verniz, as camadas de polímero se os cristais explosivas, a suspensão é aquecida sob vácuo para eliminar o solvente, e as partículas são, então, filtrou-se e secou-se. As partículas granulares semelhantes são então pressionado para a configuração desejada.
velocidade de detonação
A fim de determinar a velocidade de detonação, deve-se controlar a chegada da frente de detonação no material. Um detonação é definida como um aumento instantâneo auto-sustentação de pressão e de temperatura que é mais rápido do que a velocidade do som no material. Ele torna-se auto-sustentável quando a temperatura e a pressão são suficientes para proporcionar reacções exotérmicas atrás da frente da reacção de propagação. Tal comportamento é realizada através da incorporação de unidades de oxidação tal como grupos nitratos em certos materiais de formação. Dois exemplos conhecidos como RDX (ciclo-1,3,5-trimetileno-2,4,6-trinitramina) e HMX (cyclotetramethylenetetranitramine) são mostrados in Figura 1, que em grande parte são os materiais energéticos mais utilizado no DoD dos EUA (Departamento de Defesa). Nota o balanço de oxigénio das moléculas, o que resulta na reacção exotérmica auto-propagação para trás da frente de choque.
Figura 1. RDX (ciclo-1,3,5-tri-2,4,6-trinitramina, à esquerda) e HMX (cyclotetramethylenetetranitramine, à direita). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Uma forma de determinar a velocidade da frente de detonação é para controlar a sua posição como uma função do tempo. velocidade de detonação (FODV) teste de fibra óptica é realizada para determinar a velocidade de detonação de um material explosivo. Uma luminária de acrílico foi projetado para manter a amostra explosivo, e localize o ópticofibras a distâncias conhecidas para baixo o comprimento de carga. O teste padrão usa a 5 polegadas de comprimento por diâmetro amostra explosiva de 0,75 polegadas com cinco fibras ópticas totais; a fibra parte inferior localiza-se 0,50 polegadas a partir do fundo da carga e fibra de cada sucessiva está localizado um polegadas acima do próximo. Os furos no suporte de acrílico são dois-escalonados buracos. O furo de maior diâmetro está dimensionada para se ajustar o núcleo e o revestimento da fibra óptica e o furo de menor diâmetro serve como um espaço de ar confinado. À medida que a detonação progride através da amostra de explosivo, a onda de choque produzida excita o espaço de ar confinado a produção de um curto flash, brilhante que pode ser observado com as fibras ópticas.
As fibras ópticas usadas para este ensaio possui um núcleo de plástico barato. Devido à natureza destrutiva do teste e a consistência do choque de ar, fibras de maior qualidade não foram encontrados para ser necessário para manter dados de velocidade de alta qualidade. A instalação de ensaio em Picatinny Arsenalutiliza fotodiodos somados para traduzir a luz da detonação em tensão. A amplitude do pico de tensão não é importante para os propósitos deste teste. Um osciloscópio de 1 GHz é conectado à caixa soma dos fotodiodo, apesar de que a taxa de amostragem é muito além do que é necessário para este teste. As fibras ópticas "picos" pode ser determinada por qualquer um primeiro aumento dos valores de sinal ou de pico. Tendo em conta a distância entre as fibras ópticas e a diferença de tempo entre a chegada de detonação, é então determinada velocidade de detonação.
Pressão de detonação
pressão de detonação é estimada pela medição da profundidade dente em uma resultante placa de aço padrão de detonação do explosivo. Dent profundidades estão bem correlacionados com os valores de pressão conhecidas para uma variedade de compostos explosivos. Normalmente, uma vez que a maioria dos explosivos satisfazer a condição Chapman-Jouguet (CJ) para uma detonação a ocorrer, a pressão de detonação é tipicamente referidocomo a pressão CJ, e será a partir deste ponto para a frente neste artigo. A montagem de carga é colocada no topo de uma chapa de aço, uma chamada "placa testemunha", e os resultados detonação num dente na placa. A profundidade do dente com o padrão de carga diâmetro de 0,75 polegadas por numerosos materiais explosivos com pressões de detonação conhecidos é então comparado com a profundidade de teste Dent. pressão de detonação pela dent placa é um método confiável, com muitos anos de dados documentados para correlações aceitáveis. No entanto, uma detonação é, uma reacção química rápida dinâmico, e nos últimos anos tornou-se desejável utilizar ferramentas com maior resolução para observar a história pressão-tempo.
Para medir diretamente a pressão de detonação de um explosivo, Photonic dopplervelocimetria (PDV) também pode ser usado. Este sistema de interferômetro laser foi desenvolvido pelo Laboratório Nacional Lawrence Livermore e utiliza uma fonte de laser nm 1,550 CW. Ao dirigir o laser em um um alvo em movimentod recolher a luz, a frequência de batimento resultante desvio Doppler pode ser analisado para proporcionar um traçado da velocidade do alvo. Ao contrário das técnicas fotográficas tradicionais de alta velocidade, estes vestígios de velocidade proporcionam um registo contínuo da velocidade do alvo, como uma função do tempo. Esta técnica de medição ganhou atenção significativa nos últimos anos e está se tornando onipresente no DoD e Departamento de Energia (DoE) laboratórios de caracterização de explosivos.
De modo a calcular a pressão de um novo CJ explosivo, um sistema PDV pode ser utilizado para medir a velocidade das partículas entre o explosivo e uma janela de polimetil metacrilato (PMMA). Uma folha muito fina, geralmente de alumínio ou cobre, é colocado nesta interface para actuar como uma superfície reflectora. Nestes estudos, foi utilizado o cobre. Esta folha deve ser fina o suficiente para evitar a atenuação da onda de choque significativa ao ser grossa o suficiente para evitar a luz detonante de passagem. Normalmente, uma espessura da folhade 1.000 angstroms é ideal para configurações mais experimentais. Dada a velocidade das partículas de PMMA e a velocidade de detonação do explosivo, a pressão de detonação pode ser calculado com as equações correspondentes choque Hugoniot. 6
Enquanto o teste FODV em 0.75 "de diâmetro taxa é um padrão estabelecido pelo ARDEC, os testes baseados em PDV estão a sofrer continuamente requinte. Dependendo da formulação explosiva, quer um ou ambos os ensaios podem ser utilizados para caracterizar a velocidade de detonação e pressão de detonação.
Protocol
Representative Results
Discussion
Observe as diferenças de pressão calculada entre as duas formulações explosivos. As exposições explosivas aluminizado menos pressão, parcialmente devido à menor nitramine (HMX) de carga, mas também porque o alumínio reage com o oxigénio nos gases de detonação em expansão, o que resulta em um dente mais pequeno a partir de uma pressão de detonação inferior. O PBXN-5 exerce uma pressão de detonação superior devido ao seu elevado teor de gás em cima de detonação em comparação com PAX-30 (36,2 moles / kg para PBXN-5 contra 33,1 moles / kg para PAX-30). Mais avançada equações de estado (EOS) derivadas a partir de medições de velocidade de parede são utilizados para descrever as condições de os produtos explosivos a tais temperaturas e pressões extremas. 10,11 Este será o tema de futuras manuscritos.
Foi aparente que quando a reacção inicial de um metal em um explosivo ocorre, a velocidade de detonação detectada é menor do que se o metal não reage. Isso é um pouco contra-intuitivo; umseria de esperar que a velocidade a aumentar se mais depósitos de energia para a frente de detonação em expansão devido à reacção exotérmica de alumínio. A diminuição da velocidade de detonação surge a partir de soluções para as Hugoniots pressão densidade. O volume específico (densidade inversa) -pressão isentrope indica alterações em produtos como a detonação de expansão (da esquerda para a direita na Figura 9). 6 A isentrope expansão assinala os produtos de detonação que pode termodinamicamente formação e expansão ao longo da curva de pressão-volume específico . Durante o curso de expansão, se o alumínio reage para formar as espécies oxidadas, que resulta numa diminuição global da densidade de gás e leva a uma velocidade inferior. Isto manifesta-se em um isentrope expansão abaixo da solução para o alumínio não-reactivo (Figura 9). Uma vez que a velocidade de detonação é tangente a linha que intersecta a isentrope a partir da densidade de partida no eixo dos x, resulta a detonação velocity deve diminuir quando o alumínio na formulação reage.
Em resumo, o Departamento de Defesa dos Estados Unidos continua a prosseguir activamente a pesquisa aplicada e caracterização de novos materiais energéticos com ambas as tecnologias tradicionais e inovadoras. No caso de PDV, é uma ferramenta valiosa que caracteriza explosivos com extrema precisão e fornece os pesquisadores com informações valiosas sobre a eficácia explosivo. Este ciclo de teste rápido diminui muito o custo eo tempo necessário para a verificação de otimização de formulação e exigências.
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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