Sandia National Laboratories har framgångsrikt visat en ny, en mer miljövänlig metod för att testa en raketdel för att säkerställa att dess flygelektronik kan motstå stöten från stegseparation under flygning.

Den nya metoden - kallad Alternative Pyroshock Test - använde en kvävedriven gaspistol för att skjuta en 100-pund stålprojektil i en stålresonansstråle, som sedan överför energi genom en resonanskon fäst vid den del som testas. Den resulterande energiöverföringen efterliknar villkoren för stegseparation i rymden. Det första testet av denna typ med flyghårdvaran genomfördes i våras.

Tills nu, pyroschocktester för att säkerställa att flyg- och rymddelar var redo för flygets påfrestningar hade använt sprängämnen inneslutna i bly för att ge de delar som behövs för sådana experiment, sa maskiningenjör Mark Pilcher.

Blyet och sprängämnena var miljöfarliga, så städningen var kostsam och tidskrävande. Sandia Labs-teamet ville ha ett bättre tillvägagångssätt.

"Vi insåg tidigt i programmet att vi måste söka efter alternativa testmetoder för att minska vår exponering för farligt arbete, minimera miljöavfall och utveckla en kontrollerad och repeterbar testkapacitet, "Sade Pilcher. "Att undersöka ett storskaligt icke-explosiv gaspistoltest blev verklighet när vi samarbetade med Sandias storskaliga mekaniska testanläggningar. Det kombinerade laget arbetade hårt för att komma till det här testet."

Hopkinsons barteknologi visade sig vara ett mer kontrollerbart alternativ till sprängämnen

Ombedd att undersöka om ett alternativt sätt att testa var möjligt med en gaspistol, Sandias maskiningenjör Bo Song vände sig till en Hopkinson-stång med en diameter på 1 tum. Hopkinson-baren föreslogs första gången 1914 av Bertram Hopkinson, en brittisk patentadvokat och professor vid Cambridge University i mekanism och tillämpad mekanik, som ett sätt att mäta trycket som produceras av sprängämnen. Den modifierades ytterligare 1949 för dynamiska spännings-töjningsmätningar av material.

I Sandias experimentella slagmekaniklaboratorium, Song och hans team genomförde småskaliga tester med en metallstav som var cirka 20 gånger mindre än den som användes i fullskaletestet. De upptäckte att Hopkinson-stångsteknologin kunde ge frekvensnivåerna och den mekaniska energi som behövs i storskaliga tester för att återskapa förhållanden som hittats under flygning.

Songs team genomförde mer än 50 tester. De tittade på vilka typer av projektiler som skulle användas, hur snabbt gaspistolen behövde skjuta, hur man designar en apparat av Hopkinson-stångstyp som kallas resonansstav i större skala, hur man designar en resonanskon av stål för att överföra energin till föremålet som testas och hur man manipulerar energipulsen med hjälp av små koppar-"mynt" som kallas programmerare eller pulsformare, som placerades på ytan av resonansstången.

"Den svåraste delen var att designa programmerarna, eller pulsformare, eftersom vi var tvungna att välja rätt material, geometri och dimensioner, " sa Song. "Vi fick mycket erfarenhet genom denna typ av testning för framtida storskaliga tester. Samma koncept kan användas för en mängd olika försvars- och rymdtillämpningar. Detta ger en ny väg för pyroschocktestning, men mycket ren och mer kontrollerbar och kommer att spara mycket kostnader."

Gaspistol som används i storskaliga tester

Nästa fas av det alternativa pyroshocktestet tillämpade Hopkinson-stångteknologin på en pneumatiskt driven gaspistol.

För detta test, gaspistolen behövdes inte för att nå sin maximala kapacitet. Den 60 fot långa gaspistolen använde komprimerad kvävgas för att skjuta metallprojektiler in i en resonansstråle kopplad med en resonanskon för att expandera den slutliga diametern till gränssnitt med raketdelen, i huvudsak en hybridversion av en storskalig Hopkinson-bar.