Duyarsız patlayıcıların detonasyonu için lazer tetikli detonatör düzeneği geliştirilmesi
Development of laser driven detonator assembly for detonation of insensitive explosives
Yazar: GONCA ÖZKASAPOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. SELİS ÖNEL KAYRAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies
Dizin: Detonasyon = Detonation ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling ; Patlayıcı maddeler = Explosives

Özet:
Modern patlayıcıların detonasyonu geleneksel olarak elektrik iletimi ile yapılmaktadır. Elektriksel detonatörler darbe, ısı, şok, elektrostatik boşalma ve elektromanyetik etkilere karşı ateşlenme hassasiyeti yüksek olan duyarlı birincil patlayıcıların ateşlenmesi prensibine dayandığından güvenli değildir. Elektrik iletimi yerine lazer ışınıyla ısıtma yoluyla detonasyon yapıldığında patlayıcı elektriksel dış etkilerden izole edilerek sistem emniyeti ve performansı üst düzeyde sağlanabilmektedir. Bu sebeple lazer detonatörler güvenli ateşleme sistemleri arasındadır. 
Tez çalışmasında lazer tetikli bir uçan plaka sistemi geliştirilmiş, bir prototip üretilmiş ve duyarsız patlayıcıların detonasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda:
-	Bir lazer ateşleme ünitesi tasarlanmış ve kurulmuştur. Lazer güç ünitesinden elde edilen %100 pik değerinde ışının %25 kayıp ile hedefe ulaşabildiği belirlenmiştir.
-	Lazer ışınının iletildiği ve enerjik malzeme içeren bir ateşleyici gövdesi tasarlanmış ve üretilmiştir. Uçan plaka sisteminin yerleştirildiği gövde literatürdeki bir tasarım kullanılarak üretilmiştir. 
-	Duyarsız bir patlayıcı olan HMX malzemesi, lazer ışınına uygun hale getirilmiştir. HMX'in optik özelliklerinin geliştirilmesi kapsamında karbon siyahı ile homojen karıştırılması için özel bir numune hazırlama yöntemi geliştirmiştir.
-	Lazerle ateşleme sistemi, HMX içeren numuneler ile test edilmiştir. 
-	Detonator prototipinin üretimi, uçan plaka gövdesinin lazer tetikli ateşleyici gövdesine entegre edilmesiyle tamamlanmıştır. Bu prototipin tasarımında kopma basıncı PMMA plaka için 420 MPa ve Al plaka için 198 MPa olarak hesaplanmıştır. 
-	Prototip ile 10 cm3 iç hacme sahip kapalı bir bomba düzeneğinde 1,32 g/cm3 değerinde düşük yoğunluklu HMX ve 400 µm kalınlığında plaka kullanılarak performans çalışmaları yapılmıştır:  Ateşleme sonrası basınç 48,4±1,6 bar ve plaka hızı 620±58 m/s olarak ölçülmüştür. 
-	Plaka hızını tahmin etmek üzere matematiksel bir model geliştirilmiştir. Plaka hızı, aynı çalışma koşulları için 667,27 m/s olarak hesaplanmıştır ve ölçülen 562-678 m/s hız aralığı ile uyumlu bulunmuştur. 0,2 mm kalınlıkta bir Al plakanın 14 mm uzunluğunda bir ivmelendirme kanalı içeren sistemden çıkış hızının 1,4 km/s gibi çok daha yüksek bir hıza ulaşabileceği hesaplanmıştır.  
Çalışmada daha güvenli olması sebebi ile lazer ile tetikleme yöntemi tercih edilerek, uçan plaka yöntemi ile detonasyon sağlayan ve duyarsız patlayıcıları doğrudan ateşleyebilen bir sistem yerli olarak geliştirilmiştir. Bu çalışma roket motoru ve harp başlığı ateşleyicileri gibi askeri mühimmatlarda ticari olarak kullanılabilecek lazer detonatörler için temel bir ar-ge çalışması oluşturmuştur.
Anahtar Kelimeler: Lazer tetikli uçan plaka, detonatör, duyarsız patlayıcılar, şok kaynaklı detonasyon, matematiksel modelleme, uçan plaka hızı

Abstract:
The conventional method used for detonation of explosives is electrical transmission. Electrical detonators are not safe as they depend on the principle of firing of sensitive primary explosives, which are highly sensitive to impact, heat, shock, electrostatic discharge and electromagnetic effects. System safety and performance can be provided at high levels due to isolation of the explosive from the external electrical effects when the detonation is achieved by heating the explosive with a laser beam instead of using electrical transmission. For this reason, laser detonators are amongst the safest ignition systems.	
In the thesis study, a laser driven flying plate system was developed, a prototype was manufactured, and shock-induced detonation of insensitive explosives was performed. Within this scope:
 - Laser firing unit was designed and installed. It was found that the beam obtained from the laser power unit at 100% peak value could reach the target with 25% loss. 
- An igniter body that contains the energetic material, where the laser beam is transmitted, was designed and manufactured. The body, in which the flying plate was placed, was manufactured using a design from literature. 
- HMX, an insensitive explosive, was adapted to the laser beam. Within the scope of improving the optical properties of HMX, a special sample preparation method was developed for its homogeneous mixing with carbon black. 
- The laser firing system was tested using the samples containing HMX. 
- The production of the detonator prototype was finalized by integrating the flying plate body to the laser driven igniter body. In the design of this prototype, the rupture pressure was calculated as 420 MPa for the PMMA plate and 198 MPa for the Al plate. 
- Performance studies of the prototype was carried out in a 10 cm3 closed bomb system using 1.32 g/cm3 low density HMX and a 400 µm thick plate: The ignition pressure and the velocity of the plate were measured as 48.4±1.6 bars and 620±58 m/s, respectively. 
- A mathematical model was developed to predict the plate velocity. The plate velocity was calculated as 667.27 m/s and within the measured 562-678 m/s interval for the same operating conditions. It was calculated that the exit velocity of a 0.2 mm thick Al plate from a system with a 14 mm long acceleration gap could reach a much higher speed of 1.4 km/s. 
This study comprises the domestic development of a safer detonation system due to the application of a lazer triggering system for direct detonation of insensitive explosives based on the flying plate method. It has formed a basic R&D study for laser detonators that can be used commercially in military munitions, such as rocket engines and warhead igniters.
Keywords: Laser driven flying plate, detonator, insensitive explosives, shock to detonation transition, mathematical modelling, flying plate velocity