アクテ ィブモーメンタム トラップを用いた材料の 爆縮 ･回収装置の開発

研 究 論 文 I I H I H H H I H I H l l H H l l J H l l l

アクテ ィブモーメンタム トラップを用いた材料の 爆縮 ･回収装置の開発

安部尊之● ,吉田正典+,肪江哲幸

松尾 日出男 榊 .藤原和人桝

雅者 らは予備実験結紫を盛に.一次元円筒状収束爆轟波によって固体中にテラパスカル城の超高圧 を発生させる円筒状収束波発生装隈の開発を行った｡強い収束衝撃波発! l : . のために主爆薬に高性能爆 薬

を使い, これ を周囲か ら一斉起爆す るために朗細線列の線爆発に よるPETN(

r at e)の面爆轟波発生装置を用いている｡ 円筒状収束衝撃波発生 実験の結架,柄度の良い収束衝撃波の発生に成功 し,数値 シミュ レー ションと比較 して理鈎検討 も 行った｡また,この円筒状収束波発生装置の中心軸に設置 した試料の周 りに液体輝炎屑を設け,その 爆発によって収火衝撃波後方か らの膨張波 を遮断する回収 システム(

を新たに考案 し,梅隈的な材料圧縮を可能 とす る装置の開発 を行い試料の回収に成功 した｡ これ らの 結果か ら.本研究で開苑 した極限J Z縮装置は従来の爆縮装置では到達できなかった超高I f領域にお け る材料の圧縮 と回収を可能 とし.今後高圧物性研究や材料合成など‑有効に応用できるもの と考えら れ る｡

1

.緒 言

固休 ･粉体中に一次元の強い円筒状収束衝撃波を発 生させれば,その中心軸近傍に容易に超高圧を生成す ることができ,高圧物件や新材料合成の手段 として応 用できる｡平行銅細線列の‑ 一斉爆発を用いた面爆藤波 発生装匠を利用すれば比較的簡単な装置でこのような 収束波を生成できる｡

そ こで苓者 らは過去に.並行飼細線列起爆法を用 い.主爆薬に

を用いた円筒状収束断筆波死生実験 を行った り2 ㌧ し か し,平行銅細線列起爆t L･ の制作楠度上の問魅や爆轟 波の山次元性についての問乱 立爆薬が定常爆掛 こ到 達 していない可能性な どが指摘 された｡そこで,平行

2001

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年

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' 経本大学衝撃極限環境研死センター

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f f 絶壁2‑3

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● ̀ 物質工学工黄技術研究所

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f ) ' 東

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…席本大学工学部知能生産システム工学科

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KayakLJGakkaishLVol.62.No.4.2001

鋼細線列起爆法に比べてより広い施朋を起爆でき,機 械的に高橋度の故産が可能な銅 メッシュの線爆発を 用いることとLPETNの平面起爆実験 を行い爆曲波 面の平面性 ,起爆奄流を調べ,その布用件 を柾捜 し た3 ㌧ また,強い収束衝撃波発/ I : . のために主爆薬に高 性能爆薬

法を検討するために衝撃起爆特作 を計測 し.その起爆 方法を検討 した1 ) 0

本論文ではそれ らの1･ 偏光敦結果を基に円筒状収束 衝撃波発生装把を設計 し,一次元円筒状圃体中収束衝 撃波のf L ‑ . 成 とその計測を行い.数倍解析結果との比較 検討を通 して総合評価を行 う. また,閑雅 したH筒状 収束波発′ l 三 装鐙を爆縮材料J f鮪装L Rに応用することと し,そのための数値シ ミュ レーションおよび回収予備 実験について述べ る｡

2.

円筒状収束衝撃波先生薬験

実験方法

本実験に用いた実験装駅図を

1に示す｡外側に 銅 メ ッシュによるPETN の面起撤洪腔を設岡 し, その内側に圭爆薬

,中心 に衝撃波面計測用の

h

アクリル)円柱を設 置 している

にフライヤー(

‑)751

ト ol00 ー it FIg.1 1dimensionalcylind

r

iCal imploding8hock generato

r

0.2

キャパシタ

とスペーサー を設置 している｡

ー

kJ)か ら3

大砲

紙をデバイスの銅メッシュに流す とメッシュの線 部分が一斉爆発

,それ と同時にデバイスの上部に設

置 したクリプ トンフラッ シュの爆薬を起爆する｡ この

の爆轟波でフラ イヤーを加速 し.主爆薬

起 僻する ｡ この 収束衝撃波がデバ イスの中心に設阿 した

に進入す

ると,衝撃波の波面の急激な 圧力変化によ りPMMA円柱の背

後か ら照射 していた クリプ トンフラッシュの光が影 となる｡その影 ( シ

ドウグラフ)をス トリー クカメラ(

ャ

ode

l

によって撮影す る｡

2.

2

衝撃圧力の推定方法

実験で得 られたス トリーク写真を基に

MMA中の 術撃圧力を推定す る｡ 固体にお

いて実験的に次の線形式がl 戊り5. つことが 知 られ る｡ U

.

この式 (

1 )にス トリー ク写真の軌跡の傾 きか ら求め た衝撃波速度 U.と

に示す

数を代入 し粒子速度 u,を求める｡また,衝撃波前後

の運動墳保存則は次の式で表 され るC

1MaterialsCOnSt,antsOrPMMA Material p

^{.( ど/cm}

^{C.( km/8)}

S

PMM 1.18 2.26

1.82 0.75 Table2C‑Jval

ues0reXplo8iveS Explo8ive p｡(ど

/cmLl) p(GPa) I PBX80U

PBX80U

PBX80RU PBX80RU

P‑P

O

‑ 一

l 80000833220000 34330LLU0LBL

(2 )

式 ( 2) に. P.‑0 と

して

.と

を代入す ると,祈撃 圧力

を推在す ること

が

火る｡

2.3

本実 敢値解析方法

験における収束衝撃波の一次元性は実験装鑑を 軸方向

に十分長 く設計 していることか らほぼ保たれて いると考え, ･ 次元ランダムチ ョイス法

に

よ

る数値解析結光 との比較

ONooz(∈∈

)

LOps Time >

Fig.2AtypicalSt

reakcamera

r ec

た｡計測された衝撃波速度,衝撃圧力に

ついて過去に 行った実験1 ) 2 )と併せて

le3

に示す｡

本研究および過

去に行った同様の実験ではそれぞれ 性質の追 う

稚類の爆薬を主爆薬に用いて円筒爆縮実 験を行った｡主爆薬に

ついて

にまとめる｡ス トリ

ーJ /写共から得られた収束衝撃波の軌跡をプロッ トしたものを

に示す｡定常爆耗圧力

･ Jの

高 さか ら予想 された とお り

80U,PBX80RU

.

0),PETN(

p

の

頓で収束衝撃波速度が速いとい う結果を得た｡ 次に .主爆薬に

を用いたタイプ I ぉよび

を用いたタイプについて

で解析を行 い実験結果 と比較を行った｡ 本実験のス トリーク写真より

得 られた衝撃波の軌 跡 と数値シミュレーションによる

解析結果を

に

示す｡

^a

^‑

¹

3

ヽ

■

‑

6

80U

//pBX80RU

＼^＼

^{ヾミ‑ . PETN/ SRL 7 0 /}

3 0 )

｣

､ゝ 一一

､ 一 ､ ′PEm

ー^{■一一.(Ni押OTLJ(ay止}

'

一 一 ､ . :

PETN

A血 i J b e i .F i

n

e : J dー 6 ) 0

25 30

r( mm)

Fig.3 Shockwavetrajecto

ryobtainedforvarious explosives

数値解析は爆轟ガスの比熱

比

を

につい ては

ケ

と

については

と

の ースをプロットしてお り図中には点線 と実線でそ れぞれ示 した｡本実験において

の比熱比の計 は行っていないため正確な値は不明であるが. 測

一般的 に高性能爆薬の比熱比は

であること

が知 ら れてお り今回用いた

も通常の定常爆轟

状態にお いてその範問内であると思われる｡ゆえに

γ

を

に した数値シミュレーション結果に近

くなると思われた が,図から分かるとお り実験結果は

を

に ついては

0RU

については

に した場合 に良く‑一 致 している｡その理

由として解析 に用いた

Incident Nearbyfocused

point Aver age US(kn /⁸)

P( GPa )

kn /8

ト P( GPa)

P( G Pa)

1 PETN

(

10.454.53 PETN/SR(70/30 )5.069. 2015.8138

6.0 5.0

･a4･0

=3.i

0

2.0 1.0 0.0

6.0 5.0

甘4 l ･ J o

=3.0 2.0 1.0 0.0

0

1 0

0

1 0

(

b)

Sand experimentre8ultS

(a)PBX80U,(b)PBX80RU

PMM

Aの状態式が本実験のよ うな高圧状態では現 象 と一致 しない可能性や,PBXの爆蕗が定常爆再

速度 には達 しているものの定常爆曲圧力には連 していな

い 可能性が考えられる

の値を大きくすることはす わち圧力を低 くす ることである｡PBXような高 な

性能 爆薬が定常爆8速度には達 しても定常爆血圧力に

は到 達 していないとい う現象については過去にもいく

つか の報告があ りn,高性能爆薬特有の現象 と思われ る｡

PBX8

め,PBX8

の方がよ り敏感であるた

が一致 した

.5と

した場合 に良 く一致 した もの と思 われ るO また,

よりも爆鼓速度が若T･ 遅

いに も関わらずほぼ同 じ衝撃波軌跡が得 られている｡ こ

の ことか らも本実験の

血に近い と推測 された｡

Mainexp)os

ive Fl:PyET PerPETNowder Fig.5Alongitudinal uo888∝tionofr

ecovery 8ySte

mdevice 3.

極限圧揺装置の開先 と回

収美浜 3.I AM Tの設計

3.1.1

計井 方法

円筒状収束 した強い爆発衝撃波が中心軸で反転 した 後,反射膨張波 と後続膨張波の干渉で中心部に強力

な 膨張波 ( 引張応力波)が発生 して試料物質は飛散す

る｡

これ を防ぐために中心部の試料カプセルの外側にカ

プ セルの膨張を阻止するための爆薬層( 液体爆薬) を設置 す

るア クテ ィブモーメンタム トラップ(

mentum trap:AMT)

を用いることとす る｡装置の断 面図をFi

に示す｡前章で説明 した円筒爆鯨装

置の 中心に,回収カプセルや

の爆薬層等を設置 した

の筒を設置 してい

る｡

まず数値シミュレーションでモーメンタム トラ ップ の設計を行った｡前章で爆薬部の解析に用いたラ

グラ ンジ座標 系の一次元差分プ ログラム6 ) を用いた｡

な お,

達す るとしている

お よび

に解析 に 用いた

の衝撃デー タ8 )

な らびにAM Tに用い る液体爆薬の C‑ J値9 )を示す

｡

なお,中心部の円柱は

マルエー ジング鋼 (

日立金属 ( 樵) 製

0 0) であるが,衝撃計算に用い るM

‑GruneiSen

状態式には

のデータを代

304

Mate^rial

p.(ど/cm

3)

sUs304 7.896 Co(km/8) S ^r

. spalling8trength(GPa) JI.569 Ll.490

Table6C‑avalue80fexplosives Explosive p^｡(ど/cml'

⁾

Nitromethane 1.128 HN/HH(55/45)

HN/HF(63.4/36.6)

1.267 1.314

HN/H̲T̲(75/25

)≡

r｡

6.26^{4 1}21624

用 した.なお

の化学成分 と機械的特性を

le7

および

に示す｡

主爆薬に

^{にニ トロメ} タン ,マ ル ェ‑ジング鋼円柱を保持する筒の材質に

の組 合せで数値シミュレーシ ョンを行い

最適な値を決定す る｡計算条件について

に示す｡なお.本解析

で は破壊については応力依存の破壊別を用いてお り完全 塑性体で計算 した負の圧力があるI ‑定以下になるとス ポールとして取り扱っている｡ 3 .

. 2 AMTの位置の影響 まず

Tの位置を決定す るため

中の

の厚さ t

を

に固定し位

TAA

収するためには半径

mのカプセル部分の外径が, rr を

mから

まで

mごとに変化させて計算を行った｡回

時間が経っても広がらないことが望ましい｡したがっ

て , 回収可能性をカプセル(円柱)の外径(初期位置

の

8後の位置で評価することとするo

の位置と

100 FL

に示す

から分 かるとおり

での位碇は中心に近いほど効果が高い 8後のカプセル外径の位置をプ ロットしたものを

ことが分かった｡カプセルのサイズと工作上の制限か ら .

Tの位置

uTは

とする ｡ 3 . 1 . 3AMT の厚さの影響 次に

での位置

MT を

に固定し厚さ t

を

および

か ら

まで 1

収束衝撃波が爆薬層に入射 した際.斥力が

のも のより下がるので望ま しくない｡ よってAMTの厚 さ は

が最適であると判断 した｡

3.

1

Tの設計

以上の計算結果を総合的に判断 してモーメンタム ト ラップの最終的設計を行った｡設計 した装匿を

に示す｡中心のマルエージング鋼の上下に設置 してあ る

Sやアル ミニ ウム合金の円柱は両端か らの膨張 波の影響を防ぐモーメンタム トラップである｡設定 し た

を使 う場合 ( 実験

と使わない場合 ( 実験

の数値シミュレーションによる

線図 を

に示す｡図か ら分かるとお り

を使わな いものはカプセルが大 きく広が り飛散するが,

を使 うものは飛散が押 さえられ ると推測 された｡ ま た,両者 とも中心付近で

以 上の圧力が発生す ると推測 された｡

3.2

回収乗算

実験条件

前節の数値 シミュレーシ ョンを基に

Tにニ トロ メタンを用い半径

の位置か ら厚 さ

の厚 さで設置 した実験

を基本に,比較実験 として

0 10 20 30 40 50,(mmr

̲冥敢No.3

5

メ

｣ ,,, .新二.,j;‑;,,v‑.:Jノ:,p=I:I/J ′/ ,‑‑:'//

I 1(

ll/.: /'

.!'i.fi:/,::,,

坊,PA<ytJS 一.ii<コ<=￠J酬p./ン1''A ▲̲(.‑Dr/::i‑v/′er)∴一̲̲̲./I

0 10 20 30 40 50 60

r(Tnm)

Fig.8Ⅹ‑twavediagramobtainhynumeric a l

CalCulation AMT

対す る である伽薬の替わ りに,

Tではないが破壊に 緩衝材 として実績 の多い水 を用いた実験

2

,モーメンタム トラップを使わない実験

の

種類の実験を行った｡各実験の数値シ ミュレーシ ョ

ン による

線図を

に示す｡

3.2

実験の結北,実験

英験結果

1

,2

で円柱が壊れずに回収

ができ,実験

は破壊 ･飛散

(b)

Fig.12Alongitudinalcro88Section

これ らの結果か ら,本研究で開発 した極限圧縮装置 は従来の爆縮装直では到達できなかった超高圧細域に おける材料の圧縮 と回収が可能 とな り.今後材料合成 など‑応用できると考えられ る｡

謝 辞

本研究を遂行す るに当り .PBXの艶i S ･ にご臨力い ただいた 日本油脂 ( 秩) 武豊工場の研究者の方々に厚 く 御礼を申 し上げます｡ また.本研究の一部は財団法人 火薬工業技術奨励会研究助成金により実施いた しま し た｡ ここに記 して感謝の意を表 します｡

文 献

1 )康江哲幸,松尾 日出男,藤原和人,吉田正札 藤 原修三.宮 田政信 ,田之上反郎,工業火炎協会 誌.

2)TetSuyukiHiroe,HideoMat8uO,KaZuhito Fujiwara,ShinjiSakai,TakayukiAbe, Ma88takeYo8hida,Slm ZX),Pr∝.APSTopical Conf.onShockCompre88ionofConden8ed Matter.977(1996)

‑152‑

3)

安軌噂之,吉田正典,廟江哲幸,藤城和人.松尾 日出乳 火薬学会誌

4)

安部尊之,吉田正典,贋江哲幸,藤原和人,松尾 日出労.村 田健司,高橋勝彦,加藤幸夫,火薬学 会遮

5)T.Hiroe,H.Mat8uOandK Fujiwara,J.Appl. Phy8..Vol.72,No.7,2605(1992)

6)M.Yo8

hi da/Pr o好漁

C

,

terforExploBiv^eSTechnologyReport,CE

TR.

(ForthecuTentVerBion,Beehttp://ww

w

a iBt.

go.jp

nqMC/ c memJ J myl 山/ )

7)CharlOBL.Mader"NumericalModelingof Detonation",UniversityofCaliforniapre88,101

(1979)

8)StanleyP.Marsh

,

,

o

ertyData"

,

火薬学会誌

Developmentofarecoverysystem forextremelyhighpressure compactionofmaterialsusingexplosiverydn'venimpfodingshocks andtheactivemomentum trap

Takn yukiABE●,Ma8atakeYOSHIDA●一,TbtSuyukiHIROE''', Ka2TuhitoFUJIWARA…,aJldHideoMATSUO…

TheauthorshavedevelopedaCylindriCal implodingShockgenerator,whichproduces8uperhigh pre88ureOnbraPaBCalregionin801idBbyfocu8ingone･dimenBionalcylindrica18hockBOntheba8i80r prelimi naryexperiJnentd柁8ulti?.Inthi8Study,8打^払ceinitiationofthePBX(plaJiticbndedex^plosive) explosiveBhellbeginsatthecollisionoracylindriCaltTdnDyerdrivenbythedetonationoflow･den8ity PETN (pentaerythritoltetr8nitra

t e)

i

ef

d

TheauthorBhavecon8truCtedarecoveryJiy8temforextremelyhigh p柁88ureCOmpaCtionormaterial applyingtheimplodingShockgenerator.InthisSy8tem,theexplo8ionofliquidexplo8iveNM (nitromethane)i8newlyin8tiLIIedout8idethe8amplematerialtoweakentheinfluenceoftheexplo

･

qr

l

(●shockWaveandCondensedMatterResearchCenter,KumamotoUniver8ity,2‑39‑1, KurokAmi,Kumamoto860‑8555,JAPAN

''DepartmentofAdvancedChemi calTrbchnology,EnergeticMaterialsLaboratory,National In8tituteofMateri818andChemi calRe8ea

r C

'''DepartmentofMateria18Science& ResourceEng･,KumamotoUmiver8ity.2‑39‑1, Kurokami .Kumamoto860‑8555,JAPW )

KayakLJGakbishj.Vol.62.No.4.2001 ‑183‑