Yüksek performanslı Patlayıcılar Araştırma ve Geliştirme
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
askeri uygulamalar için yüksek patlayıcıların gelişimsel testler küçük ölçekli formülasyonu, güvenlik testleri, ve teorik hesaplamaları doğrulamak için nihayet patlatma performans testlerini içerir. Yeni geliştirilen formülasyonlar için küçük ölçekli, süreç küçük ölçekli karışımları, termal test ve darbe ve sürtünme hassasiyet ile başlar. Ancak o zaman bir sonraki büyük ölçekli formülasyonları bu yazıda ele alınacaktır patlama testi, devam yapmak. Karakterizasyon tekniklerindeki gelişmeler patlamalara erken zamanlı evrim karakterizasyonu benzersiz hassas yol açmıştır. patlama basıncı ve hız ölçümü için foto-Doppler (PDV) yeni bir teknik paylaşılan ve patlama basıncının geleneksel fiber optik patlama hızı ve plaka göçük hesaplama ile mukayese edilecektir. Özel olarak, patlayıcı formülasyonlarda alüminyum rolü tartışılacaktır. Son gelişmeler, patlayıcı f gelişmesine yol açmıştırÇok erken patlama ürün genişleme alüminyumun reaksiyona neden ormulations. Bu geliştirilmiş Reaksiyon bağlı genişleyen gaz ürünleri oksijen ile alüminyum reaksiyona patlatma hızı ve patlatma basıncı değişikliklere yol açar.
Introduction
askeri kullanım için yüksek patlayıcıların geliştirilmesi kapsamlı güvenlik hususları ve test tesisi gereksinimleri nedeniyle kaynak sınırlamaları içerir. ABD Ordusu Silahlanma Araştırma ve Geliştirme ve Mühendislik Komutanlığı (ARDEC), Picatinny Arsenal'de, patlayıcı dolu yaşam döngüsü izleme ve sivilleşme yoluyla araştırma düzeyinde değerlendirilmektedir. taşınması, depolanması ve yükleme için daha güvenli olan yeni patlayıcılar sürekli Warfighter için etkili ve güvenli mühimmat sağlamak amacıyla değerlendirilir. Son yasa mümkünse duyarsız Mühimmat (IM) yönergeleri ve şartlar takip edilmektedir belirler. Bu nedenle, her yeni patlayıcılar sentezlenir ve formüle edilmiş, performans testleri de kullanıcı gereksinimlerini karşılamak sağlamak için her şeyden önemlidir. Bu bağlamda, yeni geliştirilen PAX'de-30 patlatma özelliklerinin ölçümü PBXN-5, geleneksel bir yüksek performanslı patlayıcı ile karşılaştırılır. , patlama Velo Özellikle, ölçümdeteorik modeller ve performans hesaplamaları doğrulanması için önemli olan şehir ve patlama basıncı, paylaşılır. PAX-30 reaktif alüminyum kullanılarak böyle PBXN-5 olarak eski patlayıcı yerine geliştirilmiştir.
Alüminyum molar bazında alüminyum gibi yüksek bir oksitleme toplu ısısına sahiptir:
2AL + 3/2 O 2 -> Al 2 O 3 (1670 kJ / mol)
Şok duyarlı patlayıcı maddeler yerine alüminyum ekleyerek, formülasyon dış şok ve tehlike hakaret daha güvenli hale getirilir. Aynı anda askeri uygulamalar için gerekli performansı korurken Bu etkili Duyarsız Mühimmat (IM) Birleşmiş Milletler gereklerini yerine yardımcı olur. 2,3.4
tesisler gibi öğeler benzersiz ve son derece uzmanlaşmış test etmek. Bazı ilk testler büyük miktarlarda dokunmadan önce patlayıcı ekrana yapılmaktadır. These testler diferansiyel tarama kalorimetrisi (DSC) ve darbe ve sürtünme testleriyle termal karakterizasyonu. DSC deneyleri için, küçük bir deney numunesi, bir atıl atmosfer içinde sabit bir hızda ısıtılır ve ısı miktarı ve akış yönü izlenir. Darbe ve sürtünme testleri için örnek bir standart düşen ağırlık (Bundesanstalt kürk Materialprüfung veya BAM Etki) hakaretine maruz ve sürtünme testi standart seramik pim ve plaka (Bundesanstalt kürk Materialprüfung veya BAM Sürtünme) için. 5
formülasyonlar kullanım için güvenli kabul edildikten sonra, daha fazla ölçek büyütme tescilli karıştırma teknolojileri ile gerçekleştirilir. Kısacası, yüksek patlayıcılar üç kategoriye ayrılır:
Bağlayıcı, bir mum gibi bir eriyik faz maddesi olduğu, döküm, Eriyik-trinitrotoluen (TNT), dintroanisole (DNAN) ya da diğer eriyebilen malzeme. Enerjik veya yakıt katı par dikkatli dikkate alınarak dahil edilebilirTICLE boyutu ve uyumluluk.
Bu da reaksiyona girmemiş halde, sıvı, ancak başlatılması üzerine bir katı halinde katılaşan hidroksil-sonlu polibütadien (HTPB), poliakrilat veya başka epoksi tipi plastik bağlayıcı dökülebilir bir polimer olduğu, döküm-Tedavi,,. Katılar, sıvı hal esnasında matris içine dahil edilir.
Katılar, yükleme kaplamak için bir lak ya da kalıptan çekme işlemi kullanılarak katı eklenen bir bağlayıcı ile birlikte, çoğu zaman ağırlıkça yaklaşık% 95 yaklaşırken, çok yüksek olan preslenecek.
Bir kez basıldığında veya döküm, malzeme istenen test için uygun geometriyi elde etmek için standart yöntemler kullanılarak işlenir. Bu yazıda, PAX-30 ve PBXN-5 yüksek performanslı patlayıcıları preslenmiş vardır. Formülasyonlar enerji nitramine kristalleri (HMX, RDX ya da Cı-20) ve alüminyum partikülleri bir sulu çözelti içinde süspansiyona alınmış olan bir bulamaç kaplama işlemi yoluyla yapılır. özel bağlayıcı i ile lakes daha sonra eklenir. cila Ekleme üzerine, polimer kaplamalar patlayıcı kristaller, süspansiyon çözücüyü çıkarmak için vakum altında ısıtılır ve tanecikler daha sonra filtre edilir ve kurutulur. granül benzeri partiküller daha sonra arzu edilen konfigürasyona bastırılır.
Patlama Hızı
patlatma hızı belirlemek için, bir malzeme patlatma cephesinin varışını izlemek gerekir. Bir patlama malzeme ses hızından daha hızlı basınç ve sıcaklık bir kendi kendini idame ettirebilen anlık artış olarak tanımlanır. sıcaklık ve basınç yayılan reaksiyon cephesinin arkasında ekzotermik reaksiyonlar sağlamak için yeterli bir kez kendi kendine yeten olur. Bu davranış, içinde bulunan bazı maddelerin nitrat grupları gibi oksitleyici kısımları dahil edilmesiyle gerçekleştirilir. RDX (siklo-1,3,5-trimetilen-2,4,6-trinitramin) ve HMX (siklotetrametilentetranitramin) olarak bilinen iki örnekleri arasında gösterilmektedirn ve büyük ABD Savunma Bakanlığı en çok kullanılan enerjik malzemeleri (Savunma Bakanlığı) olan Şekil 1. şok cephesinin arkasında kendi kendine yayılan ekzotermik reaksiyon ile sonuçlanan moleküllerin oksijen dengesini, unutmayın.
Şekil 1. RDX (siklo-1,3,5-trimetilen-2,4,6-trinitramin, sol) ve HMX (siklotetrametilentetranitramin, sağda). Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
patlatma cephesinin hızını belirlemek için bir zaman fonksiyonu olarak konumunu izlemek için. Fiber optik patlatma hızı (FODV) testi, bir patlayıcı madde patlatma hızı belirlemek için gerçekleştirilir. Akrilik fikstür patlayıcı örnek tutun ve optik bulmak için tasarlanmıştırŞarj uzunluğu aşağı bilinen mesafelerde lifler. standart test beş toplam fiber optik ile 0.75-inç çaplı patlayıcı örnek tarafından uzun bir 5-inç kullanır; Alt elyaf yükün altından 0.50 inç bulunan ve birbirini izleyen her elyaf 1 inç aşağıdaki üzerinde yer almaktadır. akrilik fikstür delinmiş delikler iki basamaklı delik vardır. büyük çaplı delik optik fiber çekirdek ve kaplama sığacak büyüklükte ve küçük çaplı bir delik kapalı bir hava boşluğu olarak hizmet vermektedir. patlama patlayıcı numune boyunca ilerledikçe, üretilen şok dalgası fiber optik ile görülebilir kısa, parlak flaş üreten sınırlı hava sahasını heyecanlandırıyor.
Bu test için kullanılan fiber optik ucuz bir plastik çekirdek sahiptirler. Nedeniyle testin yıkıcı doğası ve hava şoku tutarlılığı, daha kaliteli lifler yüksek kalitede hız verilerini korumak için gerekli olduğu tespit edilmemiştir. Picatinny Arsenal test tesisigeriliminden içine patlama ışık çevirmek için toplanır fotodiyotlar kullanır. gerilim sıçramasını genliği bu testin amaçları için önemli değildir. Bu örnekleme oranı kadar bu test için gerekenin ötesine olmasına rağmen A 1 GHz osiloskop, fotodiyot özetleme kutusuna bağlanır. optik elyaf "tepeler" ya sinyal veya tepe değerlerin birinci artış ile tespit edilebilir. Optik fiberler ve patlatma varış arasındaki zaman farkı arasındaki mesafe göz önüne alındığında, patlama hızı daha sonra belirlenir.
Patlama Basıncı
Patlama basıncı Patlayıcı patlama standart bir çelik levha bileşkesi olarak göçük derinliği ölçülerek tahmin edilmektedir. Dent derinlikleri de patlama bileşiklerin çeşitli bilinen basınç değerlerine ilişkilidir. En patlayıcı bir patlama meydana gelmesi için Chapman-Jouguet (CJ) koşulunu sağlayan beri Genellikle, patlama basıncı genellikle denirCJ basınç ve bu makalede bu noktadan sonra olacaktır. Şarj düzeneği "tanık plaka" olarak adlandırılan bir çelik levha, ve plaka bir girintiye patlatma sonuçlarını üstüne yerleştirilir. Bilinen patlama basınçları ile çok sayıda patlayıcı malzemeler için standart 0.75-inç şarj çapında göçük derinliği daha sonra test göçük derinliği ile karşılaştırılır. plaka göçük tarafından Patlama basıncı kabul edilebilir korelasyon için dokümante verilerin uzun yıllar güvenilir bir yöntemdir. Ancak, patlama dinamik, hızlı kimyasal reaksiyon olduğunu ve son yıllarda bu basınç-zaman geçmişini gözlemlemek için daha yüksek çözünürlüğe sahip araçlar kullanılması tercih haline gelmiştir.
şirketinden Bir patlayıcı maddenin patlama basıncı ölçmek için, Fotonik Doppler Hızlarının (PDV) de kullanılabilir. Bu lazer interferometre sistemi Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı tarafından geliştirilen ve bir 1550 nm CW lazer kaynağı kullanır oldu. hareketli bir hedef bu bir ortalama lazer yönlendirerekD Doppler kaydırılır ışık, elde edilen atım frekansı toplama hedefin bir hız izini sürmek için analiz edilebilir. geleneksel yüksek hızlı çekim teknikleri farklı olarak, bu hız izleri, zamanın bir fonksiyonu olarak hedef hızının sürekli kaydını sağlar. Bu ölçüm tekniği son yıllarda önemli ilgisini topladı ve Savunma Bakanlığı ve Enerji Bakanlığı (DOE) patlayıcı karakterizasyon laboratuvarı her yerde oluyor.
Yeni bir patlama CJ basıncının hesaplanması için, bir PDV sistemi Patlayıcı bir polimetil metakrilat (PMMA) pencere arasında parçacık hızını ölçmek için kullanılabilir. Çok ince bir folyo, genellikle alüminyum ya da bakır, yansıtıcı bir yüzey gibi hareket için bu ara yüzeyde yer alır. Bu çalışmalarda, bakır kullanılmıştır. Bu folyo boyunca geçmesini patlatma ışık önleyecek kadar kalın olurken belirgin bir şok dalgası azalmasını önlemek için yeterince ince olmalıdır. Tipik olarak, bir folyo kalınlığı1000 angström en deneysel kurulumları için idealdir. PMMA parçacık hızı ve patlayıcı patlama hızı göz önüne alındığında, patlama basıncı Sismik hızlardan türetilen şok eşleşen denklemler ile hesaplanabilir. 6
0.75 "şarj çapında FODV testi ARDEC de kurulmuş bir standart olmakla birlikte, PDV-temelli testler sürekli arıtma geçiyor. Patlayıcı formülasyonuna bağlı olarak, bir veya her iki test patlatma hızı ve patlama basıncı karakterize etmek için kullanılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
iki patlayıcı formülasyon arasında hesaplanan basınç farkı not edin. alüminize patlayıcı sergiler kısmen daha az nitramine (HMX) yükleme daha az basınç, aynı zamanda alüminyum alt patlama basıncından daha küçük bir göçük sonuçlanır genişleyen patlama gazlarındaki oksijen ile reaksiyona girer çünkü. PBXN-5 nedeniyle (PAX-30 için 33.1 mol / kg karşı PBXN-5 için 36.2 mol / kg) PAX-30 ile karşılaştırıldığında patlama sırasında daha yüksek gaz içeriği yüksek bir patlama basınç uygulamaktadır. Duvar hız ölçümlerinden elde edilen devlet (EOS) Daha gelişmiş denklemler gibi aşırı sıcaklık ve basınç altında patlayıcı ürünlerin koşullarını tanımlamak için kullanılır. 10,11 Bu, gelecekteki el yazmalarının tabi olacaktır.
Bir patlayıcı bir metal erken Reaksiyon gerçekleştiğinde, tespit patlama hızı, metal etki yapmadığı zaman, daha düşük olduğu açıktı. Bu biraz gariptir; birhız nedeniyle alüminyum ekzotermik reaksiyon genişleyen patlama ön içine daha fazla enerji mevduat ise artış beklenebilir. patlama hızındaki azalma basınç yoğunluk Hugoniots çözümleri kaynaklanmaktadır. Özel hacim (ters yoğunluğu) -Basınçlı isentrope (Şekil 9'da soldan sağa) Patlamadan gelen ürünler genişletmek olarak değişiklikleri gösterir. 6 genişleme isentrope termodinamik oluşturmak ve basınç-özel hacim eğrisi boyunca genişletebilirsiniz bu patlatma ürünlerini temsil . Alüminyum oksitlenmiş türleri oluşturmak için reaksiyona Genişletme sırasında, bu gazın yoğunluğunda bir azalmaya yol açar ve daha düşük bir hızda yol açar. Bu reaktif olmayan bir alüminyum (Şekil 9) için çözelti altında genişletme isentrope kendini göstermektedir. patlama hızı X ekseni üzerinde bir başlangıç yoğunluğu ile ilgili isentrope kesişen teğet çizgi olduğu, bu patlatma h belirgindirformülasyon alüminyum tepki verir elocity azaltmalıdır.
Özetle, Amerika Birleşik Devletleri Savunma Bakanlığı aktif uygulamalı araştırma ve geleneksel ve yeni teknolojiler hem yeni enerjik malzemelerin karakterizasyonu sürdürmeye devam ediyor. PDV durumunda, aşırı hassasiyeti ile patlayıcı karakterize ve patlayıcı etkinliği konusunda değerli bir bakış açısı ile araştırmacılar sağlayan değerli bir araçtır. Bu hızlı test döngüsü büyük ölçüde maliyet ve formülasyon optimizasyonu ve şartlar doğrulama için gereken süreyi azaltır.
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).
