Investigación y Desarrollo de explosivos de alto rendimiento
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
las pruebas de desarrollo de explosivos de alta potencia para aplicaciones militares implica la formulación de pequeña escala, las pruebas de seguridad, y, finalmente, las pruebas de rendimiento de detonación para verificar los cálculos teóricos. a pequeña escala Para las formulaciones desarrolladas recientemente, el proceso comienza con mezclas de pequeña escala, pruebas térmicas y de impacto y sensibilidad a la fricción. Sólo entonces formulaciones posteriores de mayor escala pasar a una prueba de detonación, la cual será cubierta en este documento. Los recientes avances en técnicas de caracterización han dado lugar a una precisión sin precedentes en la caracterización de la evolución en tiempo temprana de detonaciones. La nueva técnica de velocimetría de foto-Doppler (PDV) para la medición de presión de detonación y la velocidad será compartida y se compara con fibra óptica velocidad de detonación y la placa-dent cálculo tradicional de presión de detonación. En particular, se discutirá el papel de aluminio en las fórmulas de explosivos. Los acontecimientos recientes condujeron al desarrollo de f explosivaormulations que resultan en la reacción de aluminio muy temprano en la expansión de los productos de detonación. Esta reacción mejorada conduce a cambios en la velocidad de detonación y la presión debido a la reacción del aluminio con el oxígeno en los productos de gas en expansión.
Introduction
Desarrollo de altos explosivos de uso militar implica extensas consideraciones de seguridad y las limitaciones de recursos debido a los requisitos de laboratorios de ensayo. En el Ejército de los EE.UU. Armamento Investigación y Desarrollo y el Comando de Ingeniería (ARDEC), Picatinny Arsenal, explosivos se evalúan desde el nivel de la investigación a través del seguimiento del ciclo de vida completo y la desmilitarización. Los nuevos explosivos que son más seguros para la manipulación, el almacenamiento y la carga se evalúan de forma continua en un esfuerzo por proporcionar municiones eficaces y seguros para los combatientes. reciente ley dicta que siempre que sea posible, munición insensible (IM) directrices y requisitos se cumplen. Por lo tanto, cada vez que nuevos explosivos se sintetizan y formulan, pruebas de rendimiento es de suma importancia para garantizar que cumplan con los requisitos del usuario. En este contexto, la medición de las propiedades de detonación de nuevo desarrollo PAX-30 se compara con el PBXN-5, un explosivo tradicional de alto rendimiento. En particular, la medición de su velo detonaciónciudad y la detonación de presión, que son importantes para la verificación de los modelos teóricos y los cálculos de rendimiento, es compartida. El PAX-30 fue desarrollado para reemplazar explosivos heredados como PBXN-5 mediante el uso de aluminio reactivo.
De aluminio posee una alta entalpía de oxidación como aluminio en una base por molar:
2Al + 3/2 O2 -> Al 2 O 3 (1.670 kJ / mol)
Mediante la adición de aluminio en lugar de los ingredientes de choque explosivos sensibles, la formulación se hace más fuerte a los golpes y los insultos de riesgo externos. Esto ayuda a cumplir con eficacia Insensible Munition (IM) los requisitos de las Naciones Unidas y, al mismo tiempo que se mantiene el rendimiento necesario para las aplicaciones militares 2,3.4.
Las instalaciones para poner a prueba estos artículos son únicos y altamente especializado. Algunas pruebas iniciales se realizan para detectar explosivos antes de su uso en grandes cantidades. Tstos incluyen las pruebas de caracterización térmica con calorimetría diferencial de barrido (DSC) y pruebas de impacto y fricción. Para las pruebas de DSC, una pequeña muestra de ensayo se calienta a una velocidad constante en una atmósfera inerte, y se controla la cantidad y dirección del flujo de calor. Para las pruebas de choque y fricción, la muestra se somete a insultos de un peso que cae estandarizada (Bundesanstalt für Materialprüfung, o BAM Impacto), y para la prueba de fricción de una punta cerámica estandarizada y la placa (Bundesanstalt für Materialprüfung o fricción BAM). 5
Una vez que las formulaciones se consideran seguros para el manejo, más ampliación se logra mediante las tecnologías patentadas de mezcla. En resumen, los altos explosivos se dividen en tres categorías:
Derretir a presión, en el que el aglutinante es un material en fase fundida como una cera, trinitrotolueno (TNT), dintroanisole (dnan), u otro material fundible. sólidos energéticos o de combustible pueden ser incorporados con una cuidadosa consideración de la partículo tamaño y compatibilidad.
Cast-cura, en el que el aglutinante es un polímero moldeable, tal como polibutadieno terminado en hidroxilo (HTPB), poliacrilato, u otro de tipo epoxi de plástico que es líquido en su estado sin reaccionar, pero al inicio se solidifica a un sólido. Los sólidos se incorporan en la matriz durante su estado líquido.
Presionado, en el que la carga de sólidos es muy alta, a menudo se aproxima casi 95% en peso, con un aglutinante que se añade para recubrir los sólidos utilizando un proceso de laca o de extrusión.
Una vez presionado o yeso, los materiales están mecanizadas utilizando metodologías estándar para obtener la geometría adecuada para una prueba deseada. En este trabajo, PAX-30 y PBXN-5 son de alto rendimiento presiona explosivos. Las formulaciones se realizan a través de un proceso de revestimiento de lechada, en el que los cristales de nitramina energéticos (HMX, RDX, o CL-20) y de aluminio partículas están suspendidas en una solución acuosa. Una laca con el i cásetes añaden a continuación. Tras la adición de la laca, las capas de polímero de los cristales explosivos, la suspensión se calienta bajo vacío para eliminar el disolvente, y las partículas se filtran y se secan. Las partículas de granulado como se prensan a la configuración deseada.
velocidad de detonación
Con el fin de determinar la velocidad de detonación, se debe supervisar la llegada del frente de detonación en el material. Una detonación se define como un aumento instantáneo autosostenida de la presión y de la temperatura que es más rápido que la velocidad del sonido en el material. Se convierte en auto-sostenible una vez que la temperatura y la presión son suficientes para proporcionar reacciones exotérmicas detrás del frente de reacción de multiplicación. Tal comportamiento se realiza mediante la incorporación de restos oxidantes tales como grupos nitrato en ciertos materiales de la formación. Dos ejemplos conocidos como RDX (ciclo-1,3,5-trimetilen-2,4,6-trinitramina) y HMX (ciclotetrametileno) se muestran in Figura 1, que son por lo general los materiales energéticos más utilizados en el Departamento de Defensa de Estados Unidos (Departamento de Defensa). Tenga en cuenta el equilibrio de oxígeno de las moléculas, lo que resulta en la reacción exotérmica de auto-propagación de detrás del frente de choque.
Figura 1. RDX (ciclo-1,3,5-trimetilen-2,4,6-trinitramina, izquierda) y HMX (ciclotetrametileno, derecha). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Una forma de determinar la velocidad del frente de detonación es controlar su posición como una función del tiempo. pruebas de fibra óptica velocidad de detonación (FODV) se realiza para determinar la velocidad de detonación de un material explosivo. Un accesorio de acrílico fue diseñado para contener la muestra explosiva, y localice la ópticafibras a distancias conocidas abajo de la longitud de carga. La prueba estándar utiliza un 5 pulgadas de largo por 0,75 de diámetro de la muestra explosiva pulgadas con cinco fibras ópticas totales; la fibra inferior se encuentra 0,50 pulgadas de la parte inferior de la carga y cada fibra sucesiva se encuentra de 1 pulgada por encima de la siguiente. Los agujeros perforados en el aparato de acrílico son dos intensificación de los agujeros. El agujero de mayor diámetro está dimensionado para ajustarse al núcleo y el revestimiento de la fibra óptica y el agujero de diámetro más pequeño sirve como un espacio de aire confinado. Como la detonación progresa a través de la muestra de explosivo, la onda de choque producida excita el espacio de aire confinado producir un destello corto, brillante que se puede observar con la fibra óptica.
Las fibras ópticas utilizadas para esta prueba poseen un núcleo de plástico barato. Debido a la naturaleza destructiva de la prueba y la consistencia de la descarga de aire, no se encontraron fibras de mayor calidad que sea necesaria para mantener los datos de velocidad de alta calidad. El recinto de pruebas Picatinny Arsenalutiliza fotodiodos sumadas para traducir la luz de la detonación en tensión. La amplitud de la tensión de pico no es importante para los fines de esta prueba. Un osciloscopio de 1 GHz está conectado a la caja sumadora fotodiodo, a pesar de que la tasa de muestreo es mucho más allá de lo necesario para esta prueba. Las fibras ópticas "picos" pueden determinarse bien por primera subida de los valores de la señal o de pico. Teniendo en cuenta la distancia entre las fibras ópticas y la diferencia de tiempo entre la llegada de la detonación, se determina entonces velocidad de detonación.
presión de detonación
presión de detonación se calcula midiendo la profundidad mella en una placa de acero estándar resultante de la detonación del explosivo. profundidades Dent se correlacionan bien con los valores de presión conocidos para una variedad de compuestos explosivos. Por lo general, ya que la mayoría de los explosivos satisfacen la condición de Chapman-Jouguet (CJ) para una detonación que se produzca, la presión de detonación se denomina típicamentecomo la presión CJ, y será a partir de este punto en adelante en este artículo. El conjunto de carga se coloca en la parte superior de una placa de acero, llamada "placa testigo", y los resultados de detonación en un hueco en la placa. La profundidad de la abolladura en el diámetro de carga 0,75 pulgadas estándar para numerosos materiales explosivos con presiones de detonación conocidos se compara entonces a la profundidad de la abolladura de prueba. presión de detonación por la abolladura placa es un método fiable con muchos años de datos documentados para correlaciones aceptables. Sin embargo, una detonación es una reacción química dinámico, rápido, y en los últimos años se ha convertido en deseable utilizar herramientas con una resolución más alta para observar la historia de presión-tiempo.
Para medir directamente la presión de detonación de un explosivo, Photonic Doppler Velocimetría (PDV) también se puede utilizar. Este sistema de interferómetro láser fue desarrollado por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y utiliza una fuente de láser 1550 nm CW. Al dirigir el láser a un objetivo en movimiento unad recoger la, la frecuencia de batido resultante luz desplazamiento Doppler puede ser analizada para proporcionar una traza la velocidad del objetivo. A diferencia de las técnicas fotográficas tradicionales de alta velocidad, estas trazas de velocidad proporcionan un registro continuo de la velocidad del objetivo como una función del tiempo. Esta técnica de medida se ha ganado una considerable atención en los últimos años y se está convirtiendo en omnipresente del Departamento de Defensa y el Departamento de Energía (DOE) de los laboratorios de caracterización de explosivos.
Con el fin de calcular la presión CJ de un nuevo explosivo, un sistema PDV puede ser utilizado para medir la velocidad de las partículas entre la una ventana de polimetacrilato de metilo (PMMA) y explosivo. Una lámina muy delgada, por lo general de aluminio o de cobre, se coloca en esta interfaz para actuar como una superficie reflectante. En estos estudios, se utilizó cobre. Esta lámina debe ser lo suficientemente delgada como para evitar una descarga significativa atenuación de la onda mientras que ser lo suficientemente gruesa para evitar que la luz pase a través de la detonación. Típicamente, un espesor de la láminade 1.000 angstroms es ideal para configuraciones más experimentales. Dada la velocidad de las partículas en el PMMA y la velocidad de detonación del explosivo, la presión de detonación se puede calcular con las ecuaciones características determinadas choque Hugoniot. 6
Mientras que la prueba FODV a 0,75 de diámetro cargo "es un estándar establecido en ARDEC, las pruebas basadas en PDV están sometidos continuamente a refinamiento. Dependiendo de la formulación explosivo, ya sea una o ambas pruebas se pueden utilizar para caracterizar velocidad de detonación y la presión de la detonación.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tenga en cuenta las diferencias de presión calculadas entre las dos fórmulas de explosivos. Las exposiciones explosivos aluminizados menos presión, parcialmente debido a la menor nitramina de carga (HMX), sino también debido a que el aluminio reacciona con el oxígeno en los gases de detonación en expansión, lo que resulta en un hueco más pequeño a partir de una presión de detonación inferior. El PBXN-5 ejerce una presión de detonación superior debido a su mayor contenido de gas después de la detonación en comparación con PAX-30 (36,2 moles / kg para PBXN-5 frente a 33,1 moles / kg para PAX-30). Más avanzada ecuaciones de estado (EOS) derivada de las mediciones de velocidad de pared se utilizan para describir las condiciones de los productos explosivos a tales temperaturas y presiones extremas. 10,11 Este será el tema de los futuros manuscritos.
Era evidente que cuando se produce la reacción temprana de un metal en un explosivo, la velocidad de detonación detectado es menor que si el metal no reacciona. Esto es poco intuitivo; unose esperaría que la velocidad aumente si hay más depósitos de energía en el frente de detonación en expansión debido a la reacción exotérmica de aluminio. La disminución de la velocidad de detonación surge de soluciones a los Hugoniots densidad presión. El volumen específico (densidad inversa) -Presión isentrope denota como los cambios en los productos de la detonación se expanden (de izquierda a derecha en la Figura 9). El 6 isentrope expansión representa los productos de detonación que termodinámicamente pueden formar y ampliar lo largo de la curva de presión-volumen específico . Durante el curso de la expansión, si el aluminio reacciona para formar especies oxidadas, esto resulta en una disminución global de la densidad de gas y conduce a una velocidad inferior. Esto se manifiesta en un isentrope expansión por debajo de la solución para el aluminio no reactivo (Figura 9). Dado que la velocidad de detonación es la línea tangente que intersecta el isentrope partir de la densidad de partida en el eje x, es evidente la detonación velocidad debe disminuir cuando el aluminio en la formulación reacciona.
En resumen, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos continúa buscando activamente la investigación aplicada y la caracterización de nuevos materiales energéticos con ambas tecnologías tradicionales y novedosos. En el caso de PDV, es una herramienta valiosa que caracteriza explosivos con una precisión extrema y proporciona a los investigadores información valiosa sobre la eficacia explosiva. Este ciclo de prueba rápida disminuye en gran medida el costo y el tiempo necesario para la optimización y los requisitos de formulación de verificación.
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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