Vous pouvez apprendre beaucoup d'un tube à explosion. Vous pouvez en apprendre davantage lorsque vous associez des expériences d'explosion à la modélisation informatique.

Les chercheurs de Sandia National Laboratories utilisent un tube à explosion configurable jusqu'à 120 pieds pour démontrer à quel point les armes nucléaires pourraient survivre à l'onde de choc d'une explosion d'une arme ennemie et pour aider à valider la modélisation.

Sandia a récemment terminé une série de deux ans d'essais de tubes à explosion pour un programme d'armes nucléaires et a commencé des tests pour un autre. Chaque série nécessite une instrumentation, explosifs, caméras à grande vitesse et modélisation informatique.

Les tests simulent une partie de l'environnement auquel une arme rentrant dans l'atmosphère terrestre serait confrontée si une autre arme nucléaire explosait à proximité, a déclaré le directeur des tests Nathan Glenn.

Chaque série commence par des plans d'étalonnage qui permettent aux membres de l'équipe de vérifier les paramètres des ondes de choc et en même temps de valider le modèle informatique. L'équipe suspend une charge explosive à une extrémité du tube de 6 pieds de diamètre et place des transducteurs de pression sur toute sa longueur. Les transducteurs détectent la force de la pression de souffle se déplaçant à travers le tube - une pression plus élevée plus proche de la charge, tomber plus loin.

Modeleur Greg Tipton, qui a aidé à concevoir la série, lesdits tests valident les modèles informatiques de la dynamique structurelle du système. « Nous pouvons ensuite utiliser les modèles pour simuler des environnements réels sur lesquels nous ne pouvons pas réellement tester, " il a dit.

Comprendre comment effectuer des tests

C'est complexe juste d'analyser comment faire un test, dit Tipton. La pression détermine la taille de la charge nécessaire et la façon dont l'article à tester est positionné dans le tube, et qui détermine le chargement, ou la quantité de force appliquée à l'unité d'essai. À son tour, le chargement détermine la réponse structurelle de l'article d'essai. "Donc, l'équipe fait des calculs de bout en bout pour simuler le déclenchement de l'explosif, l'onde de choc à travers le tube, la propagation du choc sur l'unité d'essai puis la réponse structurelle à l'onde de choc. Toutes ces données sont utilisées pour déterminer la bonne orientation, le bon niveau de choc, valider les modèles, " dit Tipton.

Un logiciel simule le déclenchement de l'explosif et l'onde de choc se déplaçant à travers le tube. Un second calcule le choc se déplaçant sur l'unité de test. Un troisième calcule la réponse de l'unité aux chocs et aux vibrations. Le quatrième simule comment l'unité volera du tube afin que l'équipe puisse estimer où elle va, à quelle vitesse il se déplace et comment ils vont l'attraper en toute sécurité. Chaque progiciel a la double fonction de calculer la réponse du système pour valider les modèles et d'aider à concevoir le test, dit Tipton.

Logiciel qui simule l'explosion de l'explosif, par exemple, aide à déterminer la taille de la charge. "Ils font un certain nombre de tirs dans le tube pour calibrer cela. Vous connaissez un poids de charge et une pression à un endroit cible, " dit-il. " Pendant que vous augmentez le poids de charge, tu vas monter la pression, et si vous faites une poignée de ces tests et tout un tas de simulations pour remplir les blancs, vous établissez une courbe d'étalonnage qui vous indique la quantité d'explosif dont vous avez besoin pour atteindre une pression cible."

Wil Holzmann, qui aide à analyser les données de test, dit que plus d'une centaine de canaux de données pourraient être collectées sur les pressions, déformations et réponses d'accélération. Les analystes traitent les données expérimentales à l'aide d'informations intégrées et utilisent des méthodes de traitement du signal identiques aux données expérimentales et d'analyse et comparent les réponses pour évaluer la crédibilité du modèle.

"L'objectif est de développer des modèles analytiques validés pour prédire les réponses aux charges de souffle avec un degré de confiance élevé, " a déclaré Holzmann. Les chercheurs peuvent utiliser le modèle validé pour aider à qualifier une arme pour résister à des conditions difficiles, comme une explosion nucléaire, qui ne peuvent pas être directement simulés avec des essais au niveau du sol avec des tubes à explosion.

La planification prend beaucoup plus de temps que le test lui-même

L'instrumentation est essentielle. Les tests qui ne durent que quelques millisecondes nécessitent des mois de planification.

« La communication et l'excellence technique sont essentielles au succès, " et il n'y a qu'une seule chance d'obtenir des données de l'environnement extrême d'une explosion, a déclaré John Griffin de Measurement Science and Engineering. "Simplicité dans la conception, protection du matériel, la redondance des éléments critiques et la vérification approfondie des connexions sont essentielles pour garantir que nous obtenons les données dans cette seule opportunité."

Au cours des trois dernières années, Sandia a développé une nouvelle unité d'instrumentation mobile, un système d'acquisition de données volumineux conçu pour auto-vérifier l'exactitude et la « santé » des connexions avant et après les tests.

Une remorque durcie enferme le système afin qu'il puisse être placé à proximité d'un test de souffle. Le système peut stocker jusqu'à 16 millions d'échantillons par canal et enregistrer environ 1 gigaoctet par seconde à la fréquence d'échantillonnage maximale, dit Griffin. En comparaison, il a dit, cela équivaut à plus de 70 heures de musique numérique soit environ 1, 100 chansons.

Glenn a dit que c'est plus un art qu'une science de mesurer les impulsions de pression. "Si vous ne l'avez pas bien configuré et monté correctement, les données ne valent rien, " dit-il. " Il y a des racks et des racks d'instruments avec des fils qui viennent vers vous. Rien que de le regarder, ça donne le vertige."

Imagerie haute vitesse spécialisée utilisée

L'imagerie à haute vitesse qui mesure les changements de pression permet également d'évaluer l'impact d'une onde de choc. Autrefois, les chercheurs ont utilisé des caméras à balayage qui visionnaient les images à travers une fente d'un quart de pouce sur 6 pouces. Les caméras à balayage sont similaires aux scanners de documents, imager une colonne de pixels et générer une image par l'objet se déplaçant rapidement au-delà du balayage.

Maintenant, une technique photographique appelée schlieren synthétique, mis en œuvre pour les environnements difficiles par l'ingénieur optique Anthony Tanbakuchi, permet une vue beaucoup plus large. Le schlieren synthétique détecte les changements d'indice optique induits par les changements de pression, température et densité. L'effet schlieren est comparable à voir des ondulations de la chaleur sur une route. Les techniques régulières de schlieren (un mot allemand qui signifie strie au singulier) nécessitent une grande optique, éclairage spécial et autre complexe, des configurations optiques sensibles qui ne sont pas pratiques pour les tests à grande échelle, dit Tanbakuchi. Le schlieren synthétique ne nécessite aucune configuration spéciale autre qu'un arrière-plan optionnel et n'a pas de limite de taille car il recherche les décalages de sous-pixels dans l'arrière-plan pour détecter les changements d'index optique.

L'équipe combine des algorithmes d'imagerie synthétique avec des codes de stabilisation d'image développés par Tanbakuchi pour imager un front d'onde de souffle. L'histoire de 50 ans de tests extrêmes de Sandia signifie qu'elle dispose d'une énorme base de code pour résoudre ces problèmes.

Le schlieren synthétique peut être utilisé pour tout, de la pression à l'imagerie de la température. "Mais la plus grande valeur vient lorsque nous le combinons également avec les techniques de fusion de données que nous avons développées afin que vous puissiez voir les fronts d'onde de pression avec les données d'instrumentation et les données de modèle, " a déclaré Tanbakuchi. "C'est à ce moment-là que l'image complète apparaît vraiment."