Videography Techniques for Measuring Blast Properties of Conventional and Metallized Explosives

Abstract

Videography presents many advantages for blast measurement relative to pressure transducers. From the blast wave trajectory, time of arrival (TOA) can be determined directly, and differentiation and application of the Rankine-Hugoniot conditions enables the indirect measurement of peak overpressure. Spherical charges consisting of C4 or gelled nitromethane (NM) were detonated in three trial series in 2019 and 2022. Gelled NM was detonated as-is (the “baseline”) or with the addition of powdered inert glass, reactive H-2 or H-50 aluminium, or reactive Gran-17 magnesium; in mass fractions ranging from 10 % to 50 %. Pressure transducers measured TOA and overpressure between 0.5 m to 2.6 m, while high speed video cameras recorded the blast trajectories up to 7 m at frame rates ranging from 16,000 to 39,000 frames per second. In total, around 10,300 frames of usable blast data were recorded. To process the large amount of video data, a program was written to automatically extract the blast wave radius for each frame by successively processing the images to remove static background features, detect edges corresponding to the blast wave, and fit a distance assuming a circular projection. Subjective assessment and comparison with pressure transducers suggest qualitatively accurate fits, and evaluation of goodness of fit parameters indicate an R2 value greater than 0.95 for 71 % of all frames processed, and 75 % for all frames used in further blast analysis. Comparison with manual extraction suggests measurement errors of less than 2 % for charges with significant reactive particle jetting and backgrounds poorly suited to automated extraction, and less than 1 % for more typical recordings. Due to the variation in backgrounds and charge types between the three trial series, factors that lead to increased fit accuracy were able to be characterized. Blast trajectories for the C4, baseline, and 2022 gelled NM with added H-50 aluminium experiments were scaled according to Sachs’ scaling, aggregated, and fit to Dewey’s fit equation, with overpressure subsequently determined by differentiation of the fit equation and application of the Rankine-Hugoniot relations. A discussion on the effect of fit coefficients and their bounds on the asymptotic behaviour of the trajectory and overpressure is included. Video-derived TOA and overpressure data were compared with transducer measurements, finding excellent agreement between measured transducer and video TOAs; agreement in extrapolated TOAs were dependent on trajectory fit coefficient bounds. Videoderived overpressures were consistently higher than transducer overpressures for gelled NM charges, and possible sources of error and discrepancy for both the video and transducer data are discussed. Relative effectiveness was computed as a TNT equivalence for the aggregated datasets, as well as the effectiveness of the H-50 Al charges relative to the baseline (blast enhancement). TNT equivalence and blast enhancement are found to be variant both spatially and with respect to the blast parameter used for comparison. Median C4 TNT equivalence was found to be 1.24 when computed using overpressure and 1.30 when computed using TOA, similar to historically-reported averages; however the median TNT equivalences of the baseline, 1.49 based on overpressure and 1.32 based on TOA, were found to be substantially higher than from thermochemical code predictions. Video-measured blast enhancement due to the addition of reactive H-50 Al was found to be non-monotonic with increasing mass fraction, and decrease monotonically with increasing scaled distance.

La vidéographie présente de nombreux avantages pour la mesure du souffle par rapport aux transducteurs de pression. À partir de la trajectoire de l’onde de souffle, l’heure d’arrivée (TOA) peut être déterminée directement, et la différenciation et l’application des conditions de Rankine-Hugoniot permettent la mesure indirecte de la surpression maximale. Des charges sphériques constituées de C4 ou de nitrométhane (NM) gélifié ont explosé au cours de trois séries d’essais en 2019 et 2022. Le NM gélifié a explosé tel quel (la ligne de base) ou avec l’ajout de poudres de verre inerte, d’aluminium réactif H-2 ou H-50, ou de magnésium réactif Gran-17 ; dans des fractions massiques allant de 10 % à 50 %. Des transducteurs mesuraient la TOA et la surpression entre 0,5 et 2,6 mètres, tandis que des caméras haute vitesse enregistraient les trajectoires des explosions jusqu’à 7 m à des fréquences d’images allant de 16.000 à 39.000 images par seconde. Au total, environ 10.300 images de données d’explosion utilisables ont été enregistrées. Pour traiter la grande quantité de données vidéo, un programme a été écrit pour extraire automatiquement le rayon de l’onde de souffle pour chaque image en traitant successivement les images afin de supprimer les caractéristiques statiques de l’arrière-plan, de détecter les bords correspondant à l’onde de souffle et d’ajuster une distance en supposant une projection circulaire. L’évaluation subjective et la comparaison avec les transducteurs de pression suggèrent des ajustements qualitativement précis, et l’évaluation des paramètres d’ajustement indique une valeur R2 supérieure à 0,95 pour 71 % de toutes les images traitées et 75 % pour toutes les images utilisées dans une analyse de souffle ultérieure. La comparaison avec l’extraction manuelle suggère des erreurs de mesure inférieures à 2 % pour les charges avec des jets de particules réactifs importants et des fonds mal adaptés à l’extraction automatisée, et inférieures à 1 % pour des enregistrements plus typiques. En raison de la variation des antécédents et des types d’accusations entre les trois séries d’essais, les facteurs conduisant à une précision d’ajustement accrue ont pu être caractérisés. Les trajectoires d’explosion pour le NM gélifié C4, de référence et 2022 avec des expériences d’aluminium H-50 ajoutées ont été mises à l’échelle selon la mise à l’échelle de Sachs, agrégées et ajustées à l’équation d’ajustement de Dewey, la surpression étant ensuite déterminée par différenciation de l’équation d’ajustement et application des relations de Rankine-Hugoniot. Une discussion sur l’effet des coefficients d’ajustement et de leurs limites sur le comportement asymptotique de la trajectoire et de la surpression est incluseLes données TOA et de surpression dérivées de la vidéo ont été comparées aux mesures du transducteur, trouvant un excellent accord entre le transducteur mesuré et les TOA vidéo ; l’accord dans les TOA extrapolés dépendait des limites du coefficient d’ajustement de la trajectoire. Les surpressions dérivées de la vidéo étaient systématiquement supérieures aux surpressions du transducteur pour les charges NM gélifiées, et les sources possibles d’erreur et de divergence pour les données vidéo et celles du transducteur sont discutées. L’efficacité relative a été calculée comme une équivalence du TNT pour les ensembles de données agrégées, ainsi que l’efficacité des charges H-50 Al par rapport à la ligne de base (amélioration de l’explosion). L’équivalence du TNT et l’amélioration de l’explosion s’avèrent variables à la fois spatialement et par rapport au paramètre d’explosion utilisé à des fins de comparaison. Les équivalences du TNT médianes de C4 se sont avérées être de 1,24 lorsqu’elles sont calculées à l’aide de la surpression et de 1,30 lorsqu’elles sont calculées à l’aide du TOA, ce qui est similaire aux moyennes historiquement rapportées ; cependant, les équivalences du TNT médianes de la ligne de base, 1,49 en utilisant la surpression et 1,32 en utilisant la TOA, se sont révélées nettement supérieures à celles des prédictions du code thermochimique. L’amélioration de l’explosion mesurée par vidéo en raison de l’ajout de H-50 Al réactif s’est avérée non monotone avec l’augmentation de la fraction massique et diminue de manière monotone avec l’augmentation de la distance mise à l’échelle.