Sprængrørsprøver på Sandia simulerer chokbølgeforhold, som atomvåben kan blive udsat for

Du kan lære meget af et sprængrør. Du kan lære mere, når du kobler blasteksperimenter med computermodellering.

Sandia National Laboratories forskere bruger et eksplosionsrør, der kan konfigureres til 120 fod, for at demonstrere, hvor godt atomvåben kunne overleve chokbølgen ved et eksplosion fra et fjendtligt våben og til at hjælpe med at validere modelleringen.

Sandia afsluttede for nylig en to-årig serie af sprængrørsforsøg for et atomvåbenprogram og startede tests for et andet. Hver serie kræver instrumentering, sprængstoffer, højhastighedskameraer og computermodellering.

Tests simulerer en del af miljøet, som et våben, der genindtræder i jordens atmosfære, ville møde, hvis et andet atomvåben gik af i nærheden, sagde testdirektør Nathan Glenn.

Hver serie starter med kalibreringsbilleder, der giver teammedlemmer mulighed for at verificere blastbølge -parametre og samtidig validere computermodellen. Holdet hænger en sprængladning i den ene ende af røret med en diameter på 6 fod og placerer tryktransducere langs dets længde. Transducere fornemmer styrken af ​​blasttrykket, der bevæger sig gennem røret - højere tryk tættere på ladningen, falder længere væk.

Modeller Greg Tipton, der hjalp med at designe serien, nævnte tests validerer computermodellerne af systemets strukturelle dynamik. "Vi kan derefter bruge modellerne til at simulere virkelige miljøer, vi faktisk ikke kan teste til, " han sagde.

At finde ud af, hvordan man udfører test

Det er komplekst bare at analysere, hvordan man udfører en test, Tipton sagde. Trykket driver, hvor stor en ladning er nødvendig, og hvordan testartiklen er placeret i røret, og det bestemmer belastningen, eller mængden af ​​kraft, der påføres testenheden. På tur, belastningen bestemmer testartikelens strukturelle respons. "Så, holdet laver ende-til-ende-beregninger for at simulere sprængstoffet, der går af, chokbølgen gennem røret, stødudbredelsen over testenheden og derefter den strukturelle reaktion på stødbølgen. Alle disse data bruges til at bestemme den rigtige orientering, det rigtige stødniveau, at validere modellerne, "Sagde Tipton.

Et softwareprogram simulerer sprængstoffet, der går af, og chokbølgen, der bevæger sig gennem røret. En anden beregner stødet, der bevæger sig over testenheden. En tredje beregner enhedens reaktion på stød og vibrationer. Den fjerde simulerer, hvordan enheden vil flyve fra røret, så holdet kan vurdere, hvor det skal hen, hvor hurtigt den bevæger sig, og hvordan de vil fange den sikkert. Hver softwarepakke har det dobbelte formål at beregne systemets respons til at validere modellerne og hjælpe med at designe testen, sagde Tipton.

Software, der simulerer sprængstoffet, der går af, for eksempel, hjælper med at bestemme størrelsen af ​​ladningen. "De tager et antal skud i røret for at kalibrere det. Du kender en ladningsvægt og et tryk på et eller andet målsted, " sagde han. "Når du stiger ladningsvægten, du vil øge presset, og hvis du laver en håndfuld af de test og en hel masse simuleringer for at udfylde de tomme felter, du opretter en kalibreringskurve, der fortæller dig, hvor meget eksplosiv du har brug for for at opnå et måltryk. "

Wil Holzmann, der hjælper med at analysere testdata, sagde, at mere end hundrede kanaler med data kunne blive indsamlet om pres, belastninger og accelerationsreaktioner. Analytikere behandler eksperimentelle data ved hjælp af indlejret information og bruger identiske signalbehandlingsmetoder til de eksperimentelle data og analysedata og sammenligner svarene for at vurdere modellens troværdighed.

"Målet er at udvikle validerede analytiske modeller til at forudsige reaktioner på eksplosionsbelastninger med en høj grad af tillid, "Sagde Holzmann. Forskere kan bruge den validerede model til at hjælpe med at kvalificere et våben til at modstå barske forhold, såsom en atomsprængning, som ikke kan simuleres direkte med jordnær sprængrørstest.

Planlægning tager meget længere tid end selve testen

Instrumentering er kritisk. Tests, der varer blot millisekunder, kræver måneders planlægning.

"Kommunikation og teknisk ekspertise er afgørende for succes, "og der er kun én chance for at få data fra det ekstreme miljø af en eksplosion, sagde John Griffin fra Measurement Science and Engineering. "Enkelhed i designet, beskyttelse af hardware, redundans af kritiske elementer og grundig verifikation af forbindelser er nøglen til at sikre, at vi får dataene i den ene mulighed. "

I løbet af de seneste tre år har Sandia udviklede en ny mobil instrumenteringsenhed, et stort dataopsamlingssystem designet til selv at kontrollere nøjagtigheden og "sundheden" af forbindelser før og efter test.

En hærdet trailer omslutter systemet, så det kan placeres i nærheden af ​​en sprængningstest. Systemet kan gemme op til 16 millioner samples pr. kanal og optage omkring 1 gigabyte pr. sekund ved den maksimale sample rate, sagde Griffin. Til sammenligning, han sagde, det svarer til mere end 70 timers digital musik eller omkring 1, 100 sange.

Glenn sagde, at det er mere en kunst end en videnskab at måle trykimpulser. "Hvis du ikke har den sat rigtigt op og monteret rigtigt, dataene er værdiløse, " sagde han. "Der er stativer og stativer af instrumentering med ledninger, der kommer imod dig. Det gør dit hoved svimmel, bare du ser på det. "

Specialiseret højhastighedsbilleddannelse ansat

Højhastighedsbilleddannelse, der måler trykændringer, hjælper også med at vurdere en stødbølges påvirkning. I fortiden, forskere brugte streak-kameraer, der så billeder gennem en kvart tomme gange 6-tommer spalte. Streak -kameraer ligner dokumentscannere, billeddannelse af en kolonne med pixels og generering af et billede ved, at objektet bevæger sig hurtigt forbi scanningen.

Nu, en fotografisk teknik kaldet syntetisk schlieren, implementeret til barske miljøer af optisk ingeniør Anthony Tanbakuchi, giver et meget større udsyn. Syntetisk schlieren registrerer ændringer i optisk indeks induceret af ændringer i tryk, temperatur og tæthed. Schlieren-effekten kan sammenlignes med at se krusninger fra varme på en vej. Regelmæssig schlieren (et tysk ord, der betyder streak i ental) teknikker kræver stor optik, speciel belysning og andet kompleks, følsomme optiske konfigurationer, der ikke er praktiske til test i stor skala, sagde Tanbakuchi. Syntetisk schlieren kræver ikke nogen speciel opsætning udover en valgfri baggrund og har ingen størrelsesbegrænsning, fordi den ser efter subpixelforskydninger i baggrunden for at detektere optiske indeksændringer.

Teamet kombinerer syntetiske billeddannelsesalgoritmer med billedstabiliseringskoder Tanbakuchi udviklet til at forestille en blastbølge -front. Sandias 50-årige historie med ekstrem test betyder, at den har en enorm kodebase til at løse disse problemer.

Syntetisk schlieren kan bruges til alt fra tryk til temperaturbilleddannelse. "Men den største værdi kommer, når vi også kombinerer det med de datafusionsteknikker, vi har udviklet, så du kan se trykbølgefronterne med instrumenteringsdata og modeldata, " sagde Tanbakuchi. "Det er, når det fulde billede virkelig kommer frem."