Исследование и разработка взрывчатых веществ с высокими эксплуатационными характеристиками
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
Развивающее испытания бризантных взрывчатых веществ военного назначения включает мелкого формулировку, тестирование безопасности, и, наконец тесты производительности детонации для проверки теоретических расчетов. мелкосерийное Для вновь разработанных составов, процесс начинается с мелких смесей, тепловых испытаний, и воздействия и чувствительность к трению. Только после этого последующие крупные масштабные составы приступить к тестированию детонации, которая будет рассмотрена в этой статье. Последние достижения в области методов характеризации привели к беспрецедентной точностью в характеристике эволюции раннего времени взрывов. Новая методика фото-доплеровского велосиметрии (PDV) для измерения давления детонации и скорости будут разделены и по сравнению с традиционной оптоволоконной скорости детонации и пластинчатый вмятина расчета давление детонации. В частности, будет обсуждаться роль алюминия во взрывоопасных составов. Последние разработки привели к развитию взрывной еormulations, которые приводят к реакции алюминия очень рано в расширении детонации продукта. Это расширенное реакция приводит к изменениям в скорости детонации и давления из-за реакции алюминия с кислородом в расширяющихся продуктов газа.
Introduction
Развитие бризантных взрывчатых веществ военного назначения включает обширные соображения безопасности и ограниченность ресурсов в связи с требованиями Test Facility. В армии США вооружения исследований и разработок и инженерной командования (Ardec), Пикатинни Арсенал, взрывчатые вещества оцениваются от уровня научных исследований путем полного контроля жизненного цикла и демилитаризации. Новые взрывчатые вещества, которые более безопасны для обработки, хранения и погрузки непрерывно оценивать в попытке обеспечить эффективные и безопасные боеприпасы для Warfighter. Недавно принятый закон диктует, что, когда это возможно, нечуткого боеприпасов (IM) принципы и требования следуют. Поэтому, когда новые взрывчатые вещества синтезируются и сформулированы, тестирование производительности имеет первостепенное значение для обеспечения их соответствия требованиям пользователей. В этом контексте, измерение детонационных свойств вновь разработанной Pax-30, по сравнению с PBXN-5, традиционном взрывчатого высокоэффективной. В частности, измерения его детонации Veloгород и давление детонации, которые важны для проверки теоретических моделей и расчетов эффективности, является общим. PAX-30 был разработан для замены устаревших взрывчатку, такие как PBXN-5 с помощью реактивного алюминия.
Алюминий обладает высокой энтальпии окисления как алюминий из расчета на одного коренного зуба основе:
2Al + 3/2 O 2 -> Al 2 O 3 (1670 кДж / моль)
Добавляя алюминий вместо ударных чувствительных взрывчатых ингредиентов, лекарственное средство поддерживается более безопасно внешних ударных и опасности оскорбления. Это помогает эффективно выполнять Нечувствительность боеприпаса (IM) требования единой нации в то же время поддерживая производительность необходима для военных применений. 2,3.4
Средства для проверки такие предметы являются уникальными и узкоспециализированными. Некоторые первоначальные тесты выполняются на экране взрывчатку перед обработкой в больших количествах. ТHESE тесты включают тепловую характеристику с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и воздействия и испытаний трением. Для испытаний ДСК, небольшой тестовый образец нагревают с постоянной скоростью в атмосфере инертного газа, а также количество и направление теплового потока контролируется. Для испытаний на удар и трение, образец подвергают оскорблениям со стандартизированной падающим грузом (Bundesanstalt für Materialprüfung или БАМ среду), а также для испытания трения стандартизированная керамическая выводами и пластины (Bundesanstalt für Materialprüfung или БАМ Трение). 5
После того, как составы считаются безопасными для обработки, далее расширение масштабов осуществляется фирменными технологиями смешивания. Короче говоря, бризантных взрывчатых веществ делятся на три категории:
Melt-бросок, в котором связующее представляет собой расплаве материала, как воск, тринитротолуол (ТНТ), dintroanisole (DNAN), или другой плавкого материала. Энергетические или твердых частиц топлива могут быть включены при тщательном рассмотрении наравнеРазмер частица и совместимость.
Литой отверждения, в котором связующее представляет собой литьевой полимерный, такие как полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB), полиакрилат, или другого эпоксидного типа пластика, который является жидким в своем непрореагировавшего состояния, но при инициировании затвердевает до твердого вещества. Твердые вещества включены в матрицу в процессе его жидком состоянии.
Прессованные, в которой загрузка твердых веществ очень высока, часто приближается почти 95% по весу, со связующим, который добавляется для покрытия твердых веществ с помощью процесса, лак или экструзии.
После нажатия или литой, материал подвергается обработке с помощью стандартных методик для получения надлежащего геометрию в течение желаемого теста. В этой статье, PAX-30 и PBXN-5 представляют собой высокопроизводительные нажатии взрывчатку. Составы изготавливаются с помощью процесса суспензионной покрытия, в котором энергетические кристаллы нитрамина (HMX, RDX, или CL-20) и алюминиевые частицы взвешены в водном растворе. Лак с фирменной связующего Is Затем добавляют. После лака того, полимерные покрытия взрывные кристаллы суспензию нагревают под вакуумом, чтобы прогнать растворитель, и частицы затем фильтруют и сушат. Гранула типа частицы затем прижимается к требуемой конфигурации.
Детонация скорость
Для того чтобы определить скорость детонации, надо следить за приход фронта детонации в материале. Детонация определяется как самоподдерживающейся мгновенной повышения давления и температуры, которая выше, чем скорость звука в материале. Это становится самоподдерживающейся, как только температура и давление являются достаточными для обеспечения экзотермических реакций, лежащие в реакционной распространяющаяся фронта. Такое поведение реализуется путем включения окисляющие фрагменты, такие как нитрат групп в некоторых материалах формации. Два примера, известные как RDX (цикло-1,3,5-триметилен-2,4,6-trinitramine) и HMX (циклотетраметилентетранитрамина) показаны Iп Рисунок 1, который по большому счету наиболее используемые энергетические материалы в МО США (Департамент обороны). Обратите внимание на кислородный баланс молекул, что приводит к самораспространяющейся экзотермической реакции за фронтом ударной волны.
Рисунок 1. RDX (цикло-1,3,5-триметилен-2,4,6-trinitramine, слева) и HMX (циклотетраметилентетранитрамин, справа). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуре.
Один из способов определить скорость фронта детонации является мониторинг свою позицию в зависимости от времени. Волоконно-оптический скорость детонации (FODV) тестирование проводится для определения скорости детонации взрывчатого вещества. Акриловой прибор был разработан, чтобы держать взрывное образец, и найти оптическийволокна на известном расстоянии вниз по длине заряда. Стандартный тест использует 5-дюймовый длиной 0,75-дюймовым диаметром взрывного образца с пяти полных оптических волокон; нижний слой расположен 0,50 дюйма от нижней части заряда и каждый последующий слой расположен в 1 дюйм выше следующий. Отверстия, просверленные в акриловой крепежа два-ступенчатые отверстия. Чем больше диаметр отверстия подобран сердцевины и оболочки оптического волокна, а меньший диаметр отверстия служит замкнутом воздушном пространстве. Как детонация прогрессирует через взрывного образца, ударная волна производится возбуждает ограниченном воздушное пространство производству короткий яркую вспышку, что можно наблюдать с волоконно-оптической.
Волоконно-оптическое используемые для этого теста обладают недорогой пластмассовый сердечник. Из-за разрушительного характера испытания и консистенции воздушной ударной, более высокое качество волокна не были найдены, чтобы быть необходимым для сохранения данных скорости высокого качества. Стенд на Пикатинни Арсеналиспользует суммированные фотодиоды, чтобы перевести свет от детонации в напряжение. Амплитуда скачка напряжения неважно для целей данного теста. А 1-ГГц осциллограф подключен к суммирующей коробки фотодиод, хотя это частота дискретизации далеко за рамки необходимого для этого теста. Оптическое волокно «пики» может быть либо определяются по первому подъему значений сигнала или пик. Учитывая расстояние между оптическими волокнами и разницы во времени между детонации прибытии, затем определяется скорость детонации.
Детонация давления
Давление детонации оценивается путем измерения глубины вмятина в стандартном толстолистовой стали результирующей от детонации взрывчатого вещества. Глубины Dent хорошо коррелируют с известными величинами давления для различных взрывных соединений. Как правило, так как большинство взрывчатых удовлетворить Чепмена-Жуге (CJ) условием детонация происходит, давление детонации обычно называюткак давление CJ, и это будет с этого момента в этой статье. Узел заряд помещается на верхней части стальной плиты, называемой "свидетелем пластина", а также результаты детонации в вмятины в пластине. Глубина вмятины по стандартной 0,75-дюймовым диаметром заряда для многочисленных взрывных материалов с известными давлениях детонационных затем сравнивается с глубиной тест вмятина. Давление детонации пластинка вмятины является надежным методом с многолетним документированных данных для приемлемых соотношений. Тем не менее, детонация представляет собой динамичный, быстрый химическая реакция, а в последние годы стало желательным использовать инструменты с высоким разрешением для наблюдения за историю давление времени.
Чтобы непосредственно измерить давление детонации взрывчатого вещества, также может быть использован Фотонный Доплера Velocimetry (PDV). Эта система лазерного интерферометра был разработан Ливерморской национальной лаборатории и использует 1550 нм лазерный источник CW. Направив лазер на движущейся мишени апд сбора допплер-сдвинутого свет, полученный частоту биений может быть проанализирована, чтобы обеспечить скорость след мишени. В отличие от традиционных фотографической техники высокоскоростных, эти следы скорости обеспечивают непрерывную запись скорости цели в зависимости от времени. Эта методика измерения приобрел значительное внимание в последние несколько лет и становится повсеместно в МО и Министерства энергетики (DOE) взрывчатые характеристика Labs.
Для того чтобы вычислить давление CJ нового взрывчатого вещества, система PDV может использоваться для измерения скорости частиц между взрывной и окна полиметилметакрилат (ПММА). Очень тонкую фольгу, как правило, из алюминия или меди, помещается на этой границе, чтобы выступать в качестве отражающей поверхности. В этих исследованиях, был использован медный. Эта фольга должна быть достаточно тонким, чтобы предотвратить ослабление значительное ударной волны в то же время достаточно толстым, чтобы предотвратить детонацию свет от проездом. Как правило, толщина фольги1000 ангстрем идеально подходит для самых экспериментальных установках. Учитывая скорость частиц в ПММА и скорость детонации взрывчатого вещества, давление детонации может быть рассчитана с Гюгонио шок согласующих уравнений. 6
В то время как тест FODV на "диаметра заряда 0,75 является признанным стандартом в Ardec, PDV-тесты, основанные на постоянно претерпевает уточнения. В зависимости от взрывного состава, либо один, либо оба теста могут быть использованы для характеристики скорость детонации и давление детонации.
Protocol
Representative Results
Discussion
Примечание расчетные перепады давления между двумя взрывных композиций. Алюминированным взрывчатые проявляет меньше давления, частично из-за менее нитрамина (HMX) загрузка, но также потому, что алюминий реагирует с кислородом в расширяющихся детонационных газов, что приводит к меньшему вмятины от более низком давлении детонации. PBXN-5 оказывает более высокое давление детонации из-за его более высоким содержанием газа при детонации по сравнению с PAX-30 (36,2 моль / кг для PBXN-5 в сравнении с 33,1 моль / кг для PAX-30). Более продвинутые уравнения состояния (EOS), полученного из измерений скорости стенки используются для описания условий взрывных продуктов при таких экстремальных температурах и давлениях. 10,11 Это будет предметом будущих рукописей.
Было очевидно, что, когда происходит рано реакция металла во взрывоопасной, обнаруженный скорость детонации ниже, чем если металл не реагирует. Это несколько противоречит здравому смыслу; одинбыло бы ожидать скорость возрастет, если несколькими источниками энергии депозитов в расширяющейся детонационного фронта из-за экзотермической реакции алюминия. Снижение скорости детонации возникает из растворов с давлением плотности адиабат. Удельный объем (обратная плотности) Давления изэнтропа обозначает изменения в качестве продуктов из детонации расширить (слева направо на рисунке 9). 6 изэнтропа расширение представляет те продукты детонации, которые могут термодинамически форму и расширению вдоль кривой громкости давления конкретных , В ходе расширения, если алюминий реагирует с образованием окисленных веществ, это приводит к общему снижению плотности газа и приводит к более низкой скорости. Это проявляется в изэнтропы расширения ниже решение для неактивного алюминия (рисунок 9). Поскольку скорость детонации является касательной линия, пересекающая изэнтропу от начальной плотности на оси х, очевидно, детонация velocity должна уменьшаться, когда алюминий в разработке реагирует.
Таким образом, Министерство обороны США активно продолжает прикладных исследований и характеристику новых энергетических материалов с традиционных и новых технологий. В случае PDV, она является ценным инструментом, который характеризует взрывчатку с предельной точностью и обеспечивает исследователей с ценную информацию о взрывном эффективности. Этот быстрый цикл испытаний значительно снижает стоимость и время, необходимое для оптимизации разработка и требования к верификации.
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).
