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    I test del tubo esplosivo a Sandia simulano le condizioni delle onde d'urto che le armi nucleari potrebbero affrontare

    I ricercatori dei Sandia National Laboratories stanno usando un tubo di scoppio per dimostrare come le armi nucleari potrebbero sopravvivere all'onda d'urto di un'esplosione di un'arma nemica e per aiutare a convalidare la modellazione al computer. Credito:Laboratori Nazionali Sandia

    Puoi imparare molto da un tubo esplosivo. Puoi imparare di più quando abbini esperimenti esplosivi con la modellazione al computer.

    I ricercatori dei Sandia National Laboratories stanno utilizzando un tubo di scoppio configurabile a 120 piedi per dimostrare come le armi nucleari potrebbero sopravvivere all'onda d'urto di un'esplosione da un'arma nemica e per aiutare a convalidare la modellazione.

    Sandia ha recentemente completato una serie di due anni di test sui tubi esplosivi per un programma di armi nucleari e ha iniziato i test per un altro. Ogni serie richiede strumentazione, esplosivi, telecamere ad alta velocità e modellazione al computer.

    I test simulano parte dell'ambiente che un'arma che rientra nell'atmosfera terrestre dovrebbe affrontare se un'altra arma nucleare esplodesse nelle vicinanze, ha detto il direttore del test Nathan Glenn.

    Ogni serie inizia con scatti di calibrazione che consentono ai membri del team di verificare i parametri dell'onda d'urto e allo stesso tempo convalidare il modello al computer. La squadra appende una carica esplosiva a un'estremità del tubo di 6 piedi di diametro e posiziona trasduttori di pressione lungo la sua lunghezza. I trasduttori percepiscono la forza della pressione dell'esplosione che si muove attraverso il tubo:una pressione più alta più vicina alla carica, cadendo più lontano.

    Il modellista Greg Tipton, che ha contribuito alla progettazione della serie, detti test validano i modelli informatici della dinamica strutturale del sistema. "Possiamo quindi utilizzare i modelli per simulare ambienti reali su cui non possiamo effettivamente testare, " Egli ha detto.

    Credito:Laboratori Nazionali Sandia

    Capire come condurre i test

    È complesso solo analizzare come condurre un test, ha detto Tipton. La pressione determina la quantità di carica necessaria e il posizionamento dell'articolo di prova nel tubo, e che determina il carico, o la quantità di forza applicata all'unità di prova. A sua volta, il carico determina la risposta strutturale dell'articolo di prova. "Così, il team esegue calcoli end-to-end per simulare l'esplosione dell'esplosivo, l'onda d'urto attraverso il tubo, la propagazione dell'urto sull'unità di prova e quindi la risposta strutturale all'onda d'urto. Tutti questi dati vengono utilizzati per determinare il giusto orientamento, il giusto livello di shock, validare i modelli, " ha detto Tipton.

    Un programma software simula l'esplosione dell'esplosivo e l'onda d'urto che si muove attraverso il tubo. Un secondo calcola l'urto che si muove sull'unità di prova. Un terzo calcola la risposta dell'unità a urti e vibrazioni. Il quarto simula come l'unità volerà dal tubo in modo che il team possa stimare dove sta andando, quanto velocemente si sta muovendo e come lo prenderanno in sicurezza. Ogni pacchetto software ha il duplice scopo di calcolare la risposta del sistema per validare i modelli e di aiutare a progettare il test, ha detto Tipton.

    Software che simula l'esplosione dell'esplosivo, Per esempio, aiuta a determinare l'entità della carica. "Fanno un certo numero di colpi nel tubo per calibrarlo. Conosci un peso di carica e una pressione in una posizione target, " ha detto. "Mentre aumenti il ​​​​peso della carica, stai per aumentare la pressione, e se fai una manciata di quei test e un sacco di simulazioni per riempire gli spazi vuoti, stabilisci una curva di calibrazione che ti dice quanto esplosivo hai bisogno per raggiungere una pressione target."

    Wil Holzmann, chi aiuta ad analizzare i dati dei test, ha detto che più di un centinaio di canali di dati potrebbero essere raccolti sulle pressioni, deformazioni e risposte di accelerazione. Gli analisti elaborano i dati sperimentali utilizzando informazioni incorporate e utilizzano metodi di elaborazione del segnale identici ai dati sperimentali e di analisi e confrontano le risposte per valutare la credibilità del modello.

    "L'obiettivo è sviluppare modelli analitici convalidati per prevedere le risposte ai carichi esplosivi con un alto grado di confidenza, " ha detto Holzmann. I ricercatori possono utilizzare il modello convalidato per aiutare a qualificare un'arma per resistere a condizioni difficili, come un'esplosione nucleare, che non possono essere simulati direttamente con i test del tubo di scoppio a livello del suolo.

    I ricercatori dei Sandia National Laboratories stanno utilizzando un tubo di scoppio per aiutare a convalidare la modellazione al computer e dimostrare l'impatto delle onde d'urto sulle armi nucleari. Credito:Laboratori Nazionali Sandia

    La pianificazione richiede molto più tempo del test stesso

    La strumentazione è fondamentale. I test che durano pochi millisecondi richiedono mesi di pianificazione.

    "La comunicazione e l'eccellenza tecnica sono fondamentali per il successo, " e c'è solo una possibilità di ottenere dati dall'ambiente estremo di un'esplosione, ha affermato John Griffin di Measurement Science and Engineering. "Semplicità nel design, protezione dell'hardware, la ridondanza degli elementi critici e la verifica approfondita delle connessioni sono fondamentali per garantire che i dati vengano acquisiti in quell'unica opportunità".

    Negli ultimi tre anni, Sandia ha sviluppato una nuova unità di strumentazione mobile, un sistema di acquisizione dati di grandi dimensioni progettato per autocontrollare l'accuratezza e la "salute" delle connessioni prima e dopo il test.

    Un rimorchio indurito racchiude il sistema in modo che possa essere posizionato vicino a un test di scoppio. Il sistema può memorizzare fino a 16 milioni di campioni per canale e registrare circa 1 gigabyte al secondo alla massima frequenza di campionamento, disse Grifone. Per confronto, Egli ha detto, ciò equivale a più di 70 ore di musica digitale o circa 1, 100 canzoni.

    Glenn ha detto che misurare gli impulsi di pressione è più un'arte che una scienza. "Se non lo hai impostato e montato correttamente, i dati sono inutili, " ha detto. "Ci sono rack e rack di strumentazione con fili che vengono verso di te. Ti fa venire le vertigini solo a guardarlo."

    I ricercatori dei Sandia National Laboratories utilizzano l'imaging del fronte d'onda preso a 35 anni, 000 fotogrammi al secondo per analizzare la dinamica dell'onda d'urto invisibile all'occhio e determinare quanto bene le armi nucleari potrebbero sopravvivere a un'onda d'urto. Credito:Laboratori Nazionali Sandia

    Imaging speciale ad alta velocità impiegato

    L'imaging ad alta velocità che misura i cambiamenti di pressione aiuta anche a valutare l'impatto di un'onda d'urto. Nel passato, i ricercatori hanno utilizzato telecamere a strisce che hanno visualizzato le immagini attraverso una fessura da un quarto di pollice per 6 pollici. Le fotocamere Streak sono simili agli scanner per documenti, l'immagine di una colonna di pixel e la generazione di un'immagine dall'oggetto che si muove rapidamente oltre la scansione.

    Ora, una tecnica fotografica chiamata schlieren sintetico, implementato per ambienti difficili dall'ingegnere ottico Anthony Tanbakuchi, consente una visione molto più ampia. Lo schlieren sintetico rileva i cambiamenti nell'indice ottico indotti dai cambiamenti di pressione, temperatura e densità. L'effetto schlieren è paragonabile a vedere le increspature del calore su una strada. Le tecniche schlieren regolari (parola tedesca che significa striatura al singolare) richiedono grandi ottiche, illuminazione speciale e altri complessi, configurazioni ottiche sensibili che non sono pratiche per test su larga scala, ha detto Tanbakuchi. Lo schlieren sintetico non richiede alcuna configurazione speciale oltre a uno sfondo opzionale e non ha limiti di dimensione perché cerca gli spostamenti dei subpixel in background per rilevare i cambiamenti dell'indice ottico.

    Il team combina algoritmi di imaging sintetico con codici di stabilizzazione dell'immagine sviluppati da Tanbakuchi per l'immagine di un fronte d'onda d'urto. La storia di 50 anni di Sandia di test estremi significa che ha un'enorme base di codice per risolvere questi problemi.

    Lo schlieren sintetico può essere utilizzato per tutto, dalla pressione all'imaging della temperatura. "Ma il maggior valore arriva quando lo combiniamo anche con le tecniche di fusione dei dati che abbiamo sviluppato in modo da poter vedere i fronti d'onda di pressione con i dati della strumentazione e i dati del modello, " ha detto Tanbakuchi. "Questo è quando il quadro completo emerge davvero".


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