Puede aprender mucho de un tubo explosivo. Puede obtener más información cuando combine los experimentos de explosión con el modelado por computadora.

Los investigadores de Sandia National Laboratories están utilizando un tubo de explosión configurable a 120 pies para demostrar qué tan bien las armas nucleares podrían sobrevivir a la onda de choque de una explosión de un arma enemiga y para ayudar a validar el modelo.

Sandia completó recientemente una serie de dos años de pruebas con tubos explosivos para un programa de armas nucleares y comenzó las pruebas para otro. Cada serie requiere instrumentación, explosivos cámaras de alta velocidad y modelado por computadora.

Las pruebas simulan parte del entorno que enfrentaría un arma que reingresara a la atmósfera de la Tierra si otra arma nuclear estallara cerca. dijo el director de pruebas Nathan Glenn.

Cada serie comienza con disparos de calibración que permiten a los miembros del equipo verificar los parámetros de la onda expansiva y al mismo tiempo validar el modelo de computadora. El equipo cuelga una carga explosiva en un extremo del tubo de 6 pies de diámetro y coloca transductores de presión a lo largo de su longitud. Los transductores detectan la fuerza de la presión de explosión que se mueve a través del tubo:una presión más alta cerca de la carga, cayendo más lejos.

Modelador Greg Tipton, quien ayudó a diseñar la serie, dichas pruebas validan los modelos informáticos de la dinámica estructural del sistema. "Luego, podemos usar los modelos para simular entornos reales en los que no podemos probar, " él dijo.

Descubrir cómo realizar las pruebas

Es complejo analizar cómo realizar una prueba, Dijo Tipton. La presión determina qué tan grande se necesita una carga y cómo se coloca el artículo de prueba en el tubo, y eso determina la carga, o la cantidad de fuerza aplicada a la unidad de prueba. Sucesivamente, la carga determina la respuesta estructural del artículo de prueba. "Entonces, el equipo hace cálculos de extremo a extremo para simular el estallido del explosivo, la onda de choque a través del tubo, la propagación del choque sobre la unidad de prueba y luego la respuesta estructural a la onda de choque. Todos esos datos se utilizan para determinar la orientación correcta, el nivel de choque correcto, para validar los modelos, "Dijo Tipton.

Un programa de software simula el estallido del explosivo y la onda de choque que se mueve a través del tubo. Un segundo calcula el impacto que se mueve sobre la unidad de prueba. Un tercero calcula la respuesta de la unidad a golpes y vibraciones. El cuarto simula cómo volará la unidad desde el tubo para que el equipo pueda estimar hacia dónde se dirige, qué tan rápido se mueve y cómo lo van a atrapar de manera segura. Cada paquete de software tiene el doble propósito de calcular la respuesta del sistema para validar los modelos y ayudar a diseñar la prueba. Dijo Tipton.

Software que simula la explosión del explosivo, por ejemplo, ayuda a determinar el tamaño de la carga. "Hacen una serie de disparos en el tubo para calibrar eso. Conoces el peso de carga y la presión en alguna ubicación objetivo, ", dijo." A medida que aumenta el peso de la carga, vas a subir la presión, y si haces algunas de esas pruebas y un montón de simulaciones para completar los espacios en blanco, usted establece una curva de calibración que le indica cuánto explosivo necesita para alcanzar una presión objetivo ".

Wil Holzmann, que ayuda a analizar los datos de las pruebas, dijo que se podrían recopilar más de cien canales de datos sobre presiones, tensiones y respuestas de aceleración. Los analistas procesan datos experimentales utilizando información incrustada y utilizan métodos de procesamiento de señales idénticos a los datos experimentales y de análisis y comparan las respuestas para evaluar la credibilidad del modelo.

"El objetivo es desarrollar modelos analíticos validados para predecir respuestas a cargas explosivas con un alto grado de confianza, ", Dijo Holzmann. Los investigadores pueden usar el modelo validado para ayudar a calificar un arma para resistir condiciones duras, como una explosión nuclear, que no se pueden simular directamente con pruebas de tubo de explosión a nivel del suelo.

La planificación lleva mucho más tiempo que la prueba en sí

La instrumentación es fundamental. Las pruebas que duran solo milisegundos requieren meses de planificación.

"La comunicación y la excelencia técnica son fundamentales para el éxito, "y solo hay una posibilidad de obtener datos del entorno extremo de una explosión, dijo John Griffin de Ciencias e Ingeniería de la Medición. "Simplicidad en el diseño, protección del hardware, la redundancia de elementos críticos y la verificación exhaustiva de las conexiones son claves para garantizar que obtengamos los datos en esa única oportunidad ".

Durante los últimos tres años, Sandia desarrolló una nueva unidad de instrumentación móvil, un sistema de adquisición de datos de gran tamaño diseñado para autocomprobar la precisión y el "estado" de las conexiones antes y después de la prueba.

Un remolque endurecido encierra el sistema para que pueda colocarse cerca de una prueba de explosión. El sistema puede almacenar hasta 16 millones de muestras por canal y grabar aproximadamente 1 gigabyte por segundo a la frecuencia de muestreo máxima. Griffin dijo. Para comparacion, él dijo, esto equivale a más de 70 horas de música digital o aproximadamente 1, 100 canciones.

Glenn dijo que medir los pulsos de presión es más un arte que una ciencia. "Si no lo ha configurado y montado correctamente, los datos no valen nada, ", dijo." Hay bastidores y bastidores de instrumentación con cables que vienen hacia ti. Te marea la cabeza con solo mirarlo ".

Se emplean imágenes especiales de alta velocidad

Las imágenes de alta velocidad que miden los cambios de presión también ayudan a evaluar el impacto de una onda de choque. En el pasado, Los investigadores utilizaron cámaras de rayas que veían imágenes a través de una hendidura de un cuarto de pulgada por 6 pulgadas. Las cámaras de racha son similares a los escáneres de documentos, imaginando una columna de píxeles y generando una imagen por el objeto que se mueve rápidamente más allá del escaneo.

Ahora, una técnica fotográfica llamada schlieren sintético, implementado para entornos hostiles por el ingeniero óptico Anthony Tanbakuchi, permite una vista mucho más amplia. Schlieren sintético detecta cambios en el índice óptico inducidos por cambios en la presión, temperatura y densidad. El efecto schlieren es comparable a ver ondas de calor en una carretera. Las técnicas regulares de schlieren (una palabra alemana que significa raya en singular) requieren una óptica grande, iluminación especial y otros complejos, configuraciones ópticas sensibles que no son prácticas para pruebas a gran escala, Dijo Tanbakuchi. Schlieren sintético no requiere ninguna configuración especial que no sea un fondo opcional y no tiene límite de tamaño porque busca cambios de subpíxeles en el fondo para detectar cambios en el índice óptico.

El equipo combina algoritmos de imágenes sintéticas con códigos de estabilización de imagen que Tanbakuchi desarrolló para obtener imágenes de un frente de onda expansiva. La historia de 50 años de pruebas extremas de Sandia significa que tiene una enorme base de código para resolver estos problemas.

Schlieren sintético se puede utilizar para todo, desde imágenes de presión hasta temperatura. "Pero el mayor valor viene cuando también lo combinamos con las técnicas de fusión de datos que hemos desarrollado para que pueda ver los frentes de ondas de presión con datos de instrumentación y datos de modelos". "Dijo Tanbakuchi." Ahí es cuando realmente surge la imagen completa ".