Van een straalbuis kun je veel leren. U kunt meer leren door explosieexperimenten te combineren met computermodellering.

Onderzoekers van Sandia National Laboratories gebruiken een explosiebuis die kan worden geconfigureerd tot 120 voet om aan te tonen hoe goed kernwapens de schokgolf van een explosie van een vijandelijk wapen kunnen overleven en om de modellering te helpen valideren.

Sandia voltooide onlangs een tweejarige reeks straalbuistests voor het ene kernwapenprogramma en begon tests voor een ander. Elke serie vereist instrumentatie, explosieven, hogesnelheidscamera's en computermodellering.

Tests simuleren een deel van de omgeving waarmee een wapen zou worden geconfronteerd dat de atmosfeer van de aarde zou binnenkomen als een ander kernwapen in de buurt zou afgaan. bovengenoemde testdirecteur Nathan Glenn.

Elke serie begint met kalibratieshots waarmee teamleden de parameters van de explosiegolf kunnen verifiëren en tegelijkertijd het computermodel kunnen valideren. Het team hangt een explosieve lading aan het ene uiteinde van de buis met een diameter van 6 voet en plaatst druktransducers langs de lengte ervan. Transducers voelen de kracht van de ontploffingsdruk die door de buis beweegt - hogere druk dichter bij de lading, verder weg vallen.

Modelbouwer Greg Tipton, die hielpen bij het ontwerpen van de serie, genoemde tests valideren de computermodellen van de structurele dynamiek van het systeem. "We kunnen de modellen vervolgens gebruiken om echte omgevingen te simuleren die we niet echt kunnen testen, " hij zei.

Uitzoeken hoe u tests kunt uitvoeren

Het is ingewikkeld om te analyseren hoe een test moet worden uitgevoerd, zei Tipton. De druk bepaalt hoe groot een lading nodig is en hoe het testartikel in de buis wordt geplaatst, en dat bepaalt de belading, of de hoeveelheid kracht die op de testeenheid wordt uitgeoefend. Beurtelings, de belasting bepaalt de structurele respons van het testartikel. "Dus, het team maakt end-to-end berekeningen om het ontploffen van het explosief te simuleren, de schokgolf door de buis, de schokvoortplanting over de testeenheid en vervolgens de structurele respons op de schokgolf. Al die gegevens worden gebruikt om de juiste oriëntatie te bepalen, het juiste schokniveau, om de modellen te valideren, ' zei Tipton.

Eén softwareprogramma simuleert het afgaan van een explosief en de schokgolf die door de buis beweegt. Een seconde berekent de schok die over de testeenheid beweegt. Een derde berekent de reactie van het apparaat op schokken en trillingen. De vierde simuleert hoe de eenheid uit de buis zal vliegen, zodat het team kan inschatten waar het naartoe gaat. hoe snel het beweegt en hoe ze het veilig gaan vangen. Elk softwarepakket heeft het dubbele doel om de respons van het systeem te berekenen om de modellen te valideren en om te helpen bij het ontwerpen van de test, zei Tipton.

Software die het ontploffen van een explosie simuleert, bijvoorbeeld, helpt bij het bepalen van de grootte van de lading. "Ze doen een aantal schoten in de buis om dat te kalibreren. Je kent een ladingsgewicht en een druk op een doellocatie, "zei hij. "Terwijl je het laadgewicht verhoogt, je gaat de druk opvoeren, en als je een handvol van die tests doet en een heleboel simulaties om de lege plekken in te vullen, je stelt een kalibratiecurve op die je vertelt hoeveel explosief je nodig hebt om een ​​doeldruk te bereiken."

Wil Holzmann, die helpt bij het analyseren van testgegevens, zei dat er meer dan honderd kanalen met gegevens over druk kunnen worden verzameld, spanningen en versnellingsreacties. Analisten verwerken experimentele gegevens met behulp van ingebedde informatie en gebruiken identieke signaalverwerkingsmethoden als de experimentele en analysegegevens en vergelijken reacties om de geloofwaardigheid van het model te beoordelen.

"Het doel is om gevalideerde analytische modellen te ontwikkelen voor het voorspellen van reacties op explosiebelastingen met een hoge mate van vertrouwen, " zei Holzmann. Onderzoekers kunnen het gevalideerde model gebruiken om een ​​wapen te kwalificeren om bestand te zijn tegen zware omstandigheden, zoals een nucleaire explosie, die niet direct kunnen worden gesimuleerd met straalbuistests op grondniveau.

Plannen duurt veel langer dan testen zelf

Instrumentatie is cruciaal. Tests die slechts enkele milliseconden duren, vereisen maandenlange planning.

"Communicatie en technische uitmuntendheid zijn cruciaal voor succes, " en er is maar één kans om gegevens te krijgen uit de extreme omgeving van een explosie, zei John Griffin van Measurement Science and Engineering. "Eenvoud in het ontwerp, bescherming van de hardware, redundantie van kritieke elementen en grondige verificatie van verbindingen zijn essentieel om ervoor te zorgen dat we de gegevens in die ene kans krijgen."

In de afgelopen drie jaar, Sandia ontwikkelde een nieuwe mobiele instrumentatie-eenheid, een groot data-acquisitiesysteem dat is ontworpen om de nauwkeurigheid en "gezondheid" van verbindingen voor en na het testen zelf te controleren.

Een geharde trailer omsluit het systeem zodat het in de buurt van een explosietest kan worden geplaatst. Het systeem kan tot 16 miljoen samples per kanaal opslaan en ongeveer 1 gigabyte per seconde opnemen met de maximale samplefrequentie. zei Griffioen. Ter vergelijking, hij zei, dit komt overeen met meer dan 70 uur digitale muziek of ongeveer 1, 100 liedjes.

Glenn zei dat het meer een kunst dan een wetenschap is om drukpulsen te meten. "Als je het niet goed hebt ingesteld en goed hebt gemonteerd, de gegevens zijn waardeloos, "zei hij. "Er zijn rekken en rekken met instrumentatie met draden die op je afkomen. Je wordt er al duizelig van als je ernaar kijkt."

Speciale high-speed beeldvorming toegepast

High-speed beeldvorming die drukveranderingen meet, helpt ook bij het beoordelen van de impact van een schokgolf. Vroeger, onderzoekers gebruikten streak-camera's die beelden bekeken door een spleet van een kwart inch bij 6 inch. Streakcamera's zijn vergelijkbaar met documentscanners, het afbeelden van een kolom met pixels en het genereren van een afbeelding door het object dat snel langs de scan beweegt.

Nutsvoorzieningen, een fotografische techniek genaamd synthetische schlieren, geïmplementeerd voor ruwe omgevingen door optisch ingenieur Anthony Tanbakuchi, maakt een veel groter beeld mogelijk. Synthetische schlieren detecteert veranderingen in optische index veroorzaakt door veranderingen in druk, temperatuur en dichtheid. Het schliereneffect is vergelijkbaar met het zien van rimpelingen van de hitte op een weg. Reguliere schlieren (een Duits woord dat streep in het enkelvoud betekent) technieken vereisen grote optica, speciale verlichting en andere complexe, gevoelige optische configuraties die niet praktisch zijn voor grootschalige tests, zei Tanbakuchi. Synthetische schlieren vereist geen speciale opstelling behalve een optionele achtergrond en heeft geen limiet voor de grootte omdat het zoekt naar subpixelverschuivingen op de achtergrond om optische indexveranderingen te detecteren.

Het team combineert synthetische beeldalgoritmen met beeldstabilisatiecodes die Tanbakuchi heeft ontwikkeld om een ​​explosiegolffront in beeld te brengen. Sandia's 50-jarige geschiedenis van extreme testen betekent dat het een enorme codebasis heeft om deze problemen op te lossen.

Synthetische schlieren kunnen voor alles worden gebruikt, van druk- tot temperatuurbeeldvorming. "Maar de meeste waarde komt wanneer we het ook combineren met de datafusietechnieken die we hebben ontwikkeld, zodat je de drukgolffronten kunt zien met instrumentatiegegevens en modelgegevens, "Zei Tanbakuchi. "Dan komt het volledige plaatje pas echt naar voren."