Alüminyum katkılı yüksek enerjili patlayıcıların detonasyonu sonrası durumunun sayısal ve deneysel olarak belirlenmesi
Numerical and experimental determination of state of aluminized high energetic explosives after detonation
Yazar: SADIK SAMET BALKOCA
Danışman: PROF. DR. ŞENOL BAŞKAYA
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Balistik = Ballistics ; Detonasyon = Detonation ; İç balistik sistemleri = Interior ballistic systems

Özet:
Bu çalışmada, alüminyum katkılı yüksek enerjik malzemelerin detonasyonu sonrası ortaya çıkan reaksiyon ürünlerinin genleşme durumu incelenmiş, JWL (Jones-Wilkins-Lee) hal denklemi parametrelerinin belirlenmesi için plaka hızlandırma ve silindir genleşme test yöntemleriyle deney düzenekleri kurulmuştur. Detonasyon sonrasında alüminyumun yanma oranı ve reaksiyon gazlarının genleşmesine katkısının bulunması için zamana bağlı JWL (TD-JWL) denklemi kullanılmıştır. Kurulan plaka hızlandırma düzeneğiyle testler yapılmış ancak bakır plaka yüzeyinde oluşan bölgesel erimeler nedeniyle plakanın yansıtıcılığı bozulduğundan dolayı veri alınamamıştır. Yapılan deneme testlerinde plaka ekseninin bozulmaması için ateşleme sisteminde düzlemsel dalga merceği ve empedans eşleştirme yöntemi gibi ek uygulamalar yapılmasına rağmen plaka hızlandırma test yöntemi başarılı olmamıştır.  JWL parametrelerinin elde edilmesi için test çalışmalarına silindir genleşme test yöntemi ile devam edilmiştir. Bu test yönteminde özgün tasarım yapılarak testlerlerde başarılı sonuçlar alınmıştır. Testlerde JWL parametrelerinin bulunması için ideal davranış gösteren PBXN110 benzeri S110 ve ideal davranış göstermeyen alüminyum katkılı patlayıcı olarak PBXN109 benzeri S109 patlayıcıları kullanılmıştır. Alüminyumlu patlayıcı içindeki alüminyumun detonasyon enerjisine katkısının belirlenmesi için alüminyumla aynı kütlesel oranda inert LiF malzemesi ile yeni bir patlayıcı üretilmiştir. Testler sonucunda veriler değerlendirilerek bu patlayıcıların deneysel JWL parametreleri elde edilmiştir. Deneysel olarak elde edilen JWL parametreleri, literatürden bulunan ve EXTEC termokimyasal kodu ile hesaplanan JWL parametreleri ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma için SPEED hidrokodunda hazırlanan silindir genleşme test düzeneği modeli kullanılmıştır. Yapılan SPEED hidrokod analizleri sonucunda, patlayıcıların performansında önemli olan silindir duvarının hızlanmaya başladığı zamanların ve ulaştıkları en yüksek hız değerlerinin tüm patlayıcılar için aynı seviyelerde olduğu görülmüştür. S109 (Al) ve S109 (LiF) patlayıcılarının silindir duvar hızları karşılaştırılarak S109 (LiF) patlayıcısının JWL modeline Miller modeli eklenerek SPEED analizleri S109 (Al) patlayıcısının hız eğrisi elde edilene kadar deneme yanılma yoluyla tekrarlanmıştır. Sonuç olarak Miller modelinin parametreleri bulunmuş, S109 (Al) patlayıcısı için TD-JWL denkleminin parametreleri elde edilmiştir.

Abstract:
In this study, the expansion state of the reaction products after detonation of aluminized high-energetic materials was investigated, and experimental setups were set up by plate acceleration test and cylinder expansion test method to determine the JWL (Jones-Wilkins-Lee) equation of state parameters. Time dependent JWL (TD-JWL) equation was used to find aluminum combustion rate and its contribution to expansion state of the reaction gases after detonation. Tests were made with the plate acceleration test setup, but data could not be obtained because the reflectivity of the plate was impaired due to regional melting on the plate surface. Although additional applications such as a plane wave lens in the ignition system to prevent the plate axis from distorted and impedance matching method were applied in the trial tests with standard explosives, the plate acceleration test method could not be successful. In order to obtain the JWL parameters, the test studies were continued with the cylinder expansion test method. In this test method, successful results were obtained in the tests by making an original design. In the tests, explosive S110 like PBXN110, which exhibits ideal behavior, is used and S109 like PBXN109, which exhibits non-ideal behavior, were used to obtain their JWL parameters. In order to determine the contribution of aluminum in aluminized explosives to the detonation energy, a new explosive was produced by using inert LiF with the same mass ratio of aluminum. By evaluating the results of the tests, the experimental JWL parameters of the explosives were obtained. Experimentally obtained JWL parameters were compared with the JWL parameters found in the literature and calculated with the EXTEC thermochemical code. For comparison, the cylinder expansion test setup model prepared in the SPEED hydrocode was used. As a result of the SPEED hydrocode analyses, it has been seen that the times when the cylinder wall starts to accelerate and the highest velocity values that are important in the performance of the explosives are at the same levels for all explosives. By comparing the cylinder wall velocities of S109 (Al) and S109 (LiF) explosives, Miller model was added to the JWL model of S109 (LiF) and SPEED analyses were repeated until reaching the velocity curve of the S109 (Al) explosive by trial and error method. As a conclusion the parameters of the Miller model were found, and the parameters of the TD-JWL equation for the S109 (Al) explosive were obtained.