Sympathetic reaction TEMPER simulations for 155 mm shell filled with MCX-6100 composition

Abstract

IM classification of munitions requires testing according to STANAG 4439 (1). All tests have to be performed unless the Threat Hazard Analysis shows that specific threats in the STANAG do not occur in the life-cycle of specific munitions. In some nations full scale tests may be replaced by small scale testing accompanied by simulations. In this report results from small scale testing of the explosive composition MCX-6100 have been used as input for Sympathetic Reaction simulations with the MSIAC TEMPER software. The munitions we have studied are 155 mm shells. MCX-6100 is a melt-cast composition to be used as main filler in this munition. TEMPER simulations for sympathetic reaction “One -on -One” on 155 mm shell filled with MCX-6100 CH 6079/13 have been performed with the same filler in both donor and acceptor. Variables studied are: 4 different shock sensitivities, 36.4, 47.5, 53.4 and 58.5 kbar and 4 different compositions, Top, Middle, Bottom and nominal content, and 1 filling density, measured density. Cheetah calculated densities (TMD) are not included. Therefore effects of porosity were not included, only the effects of sedimentation. 13 scenarios have been studied. Required acceptor shell thickness for 155 mm filled with different MCX-6100 compositions with equal shock sensitivity due to sedimentation varies by 1 mm or less for the same response. In addition sedimentation gives some small differences, 1-2 mm in the donor shell thicknesses that produce the WC-fragments. The overall conclusion is that the effect of sedimentation has only minor influence on the acceptor properties. The shock sensitivity of the MCX-6100 filling, however, has significant influence on the required shell thickness in the acceptor to give a no reaction response. Going from a low (58.5 kbar) to a high shock sensitivity (36.4 kbar) filling an increase of 8 mm in shell thickness is required to retain a no reaction response. The increases in shell thicknesses for Top, Middle and Bottom composition are the same. Therefore the acceptor response in Sympathetic Reaction is mainly controlled by the MCX-6100 compositions shock sensitivity. For the four (Top, Middle, Bottom and Nominal) compositions of MCX-6100 with shock sensitivity 58.5 kbar a no reaction response requires a shell thickness of 8-9 mm, with shock sensitivity 53.4 kbar, 10 mm is required, with shock sensitivity 47.5 kbar 12 mm is required and with shock sensitivity 36.4 kbar 16-17 mm is required. To pass the IM requirement STANAG 4439 requires the Sympathetic Reaction test to result in type III reaction, deflagration response. To fulfil this IM requirement the shock sensitivity of the MCX-6100 filling in a 155 mm shell should be +50 kbar or better. This is a shock sensitivity of MCX-6100 fillings which should be possible to obtain with optimal casting quality.

For å oppnå IM godkjenning av ammunisjon er det i STANAG 4439 (1) satt krav til testing og respons i 6 tester. Disse må alle utføres, men dersom en trusselvurdering viser at en spesifikk trussel i STANAGen ikke forekommer i ammunisjonens livsløp, kan enkelttester utelates. Fullskala testing kan også i noen nasjoner erstattes med småskala tester i kombinasjon med simuleringer. I denne rapporten er resultater fra småskala testing av sprengstoffkomposisjonen MCX-6100 benyttet som inndata for simuleringer av «Sympathetic Reaction» med MSIAC programvaren TEMPER. Ammunisjonen vi har studert er 155 mm granater. MCX-6100 er en smeltestøp-komposisjon til bruk i denne ammunisjonstypen. Alle TEMPER simuleringene av sympatetisk reaksjon «One on One» med 155 mm granater fylt med MCX-6100 CH6079/13 komposisjon er gjennomført med samme sprengstoffylling i donor og akseptor granat. Følgende variable har vært studert: 4 ulike sjokkfølsomheter, 36.4, 47.5, 53.4 og 58.5 kbar, 4 forskjellige sammensetninger av MCX-6100, Top, Middle, Bottom og nominell,1 tetthet: målt tetthet. Beregnet maksimum tetthet ved bruk av Cheetah 2.0 er ikke inkludert. Derfor har effekten av porøsitet i sprengstoffyllingen ikke vært inkludert i denne studien, kun effekten av sedimentering. Totalt omfatter studien 13 scenarioer. Simuleringene viser at effekten i en 155 mm granat av sedimentering for MCX-6100 fyllinger med identisk sjokkfølsomhet kun gir en endring på 1 mm i kravet til veggtykkelsen for å bibeholde samme reaksjon. I tillegg medfører sedimentering noen mindre endringer i donoregenskapene. Veggtykkelsen på donorgranaten som produserer det mest sårbare fragmentet, varierer med 1-2 mm. Konklusjonen ut fra simuleringsresultatene er at sedimentering kun har minimal innvirkning på sårbarheten til akseptor i sympatetisk reaksjonstest. Sjokkfølsomheten til MCX-6100 komposisjoner har dermed betydelig innvirkning på hvilken veggtykkelse en 155 mm granat trenger for at den skal respondere med en ikke reaksjon. Går man fra en fylling med lav (58.5 kbar) til en med høy (36.4 kbar) sjokkfølsomhet endres kravet til veggtykkelse med 8 mm for lik respons. Denne endringen er like store for Top, Middle og Bottom sammensetningen. Konklusjonen fra sympatetisk reaksjonstest simuleringene med variabel sjokkfølsomhet er at responsen til akseptor i all hovedsak styres av MCX-6100 komposisjonens sjokkfølsomhet. For de fire (Top, Middle, Bottom samt nominell) komposisjonene av MCX-6100 med sjokkfølsomhet 58.5 kbar er kravet for en ikke reaksjon en veggtykkelse på 8-9 mm, med en sjokkfølsomhet på 53.4 kbar kreves 10 mm, med sjokkfølsomhet 47.5 kbar kreves12 mm og med sjokkfølsomhet 36.4 kbar kreves 16-17 mm. Kravet til respons i STANAG 4439 til IM er en type III reaksjon, deflagrasjon i sympatetisk reaksjonstest. For å tilfredsstille dette IM kravet bør sjokkfølsomheten til MCX-6100 fyllingen i en 155 mm granat være +50 kbar eller bedre, et krav til sjokkfølsomhet for MCX-6100 som bør være oppnåelig med optimal fyllingskvalitet.