Du kan lära dig mycket av ett sprängrör. Du kan lära dig mer när du kopplar sprängexperiment med datormodellering.

Sandia National Laboratories forskare använder ett sprängrör som kan konfigureras till 120 fot för att visa hur väl kärnvapen skulle kunna överleva chockvågen från en sprängning från ett fiendevapen och för att hjälpa till att validera modelleringen.

Sandia avslutade nyligen en tvåårig serie sprängrörstest för ett kärnvapenprogram och påbörjade tester för ett annat. Varje serie kräver instrumentering, explosiva varor, höghastighetskameror och datormodellering.

Tester simulerar en del av miljön som ett vapen som återinträder i jordens atmosfär skulle möta om ett annat kärnvapen gick av i närheten, sade testdirektören Nathan Glenn.

Varje serie börjar med kalibreringsbilder som gör att teammedlemmar kan verifiera parametrar för sprängvågor och samtidigt validera datormodellen. Teamet hänger en sprängladdning i ena änden av röret med en diameter på 6 fot och placerar tryckgivare längs dess längd. Givare känner av styrkan i sprängtrycket som rör sig genom röret – högre tryck närmare laddningen, faller av längre bort.

Modellerare Greg Tipton, som hjälpte till att designa serien, nämnda tester validerar datormodellerna av systemets strukturella dynamik. "Vi kan sedan använda modellerna för att simulera verkliga miljöer som vi faktiskt inte kan testa till, " han sa.

Ta reda på hur man utför tester

Det är komplicerat att bara analysera hur man genomför ett test, sa Tipton. Trycket styr hur stor laddning som behövs och hur testartikeln placeras i röret, och det bestämmer lasten, eller mängden kraft som appliceras på testenheten. I tur och ordning, belastningen bestämmer testartikelns strukturella respons. "Så, teamet gör beräkningar från början till slut för att simulera sprängämnet som går av, stötvågen genom röret, stötutbredningen över testenheten och sedan det strukturella svaret på stötvågen. Alla dessa data används för att bestämma rätt orientering, rätt chocknivå, för att validera modellerna, sa Tipton.

Ett program simulerar sprängämnet som går av och stötvågen som rör sig genom röret. En andra beräknar stöten som rör sig över testenheten. En tredje beräknar enhetens svar på stötar och vibrationer. Den fjärde simulerar hur enheten kommer att flyga från röret så att teamet kan uppskatta vart det är på väg, hur snabbt det rör sig och hur de ska fånga det säkert. Varje mjukvarupaket har det dubbla syftet att beräkna systemets respons för att validera modellerna och att hjälpa till att designa testet, sa Tipton.

Programvara som simulerar sprängämnet som går av, till exempel, hjälper till att bestämma storleken på laddningen. "De gör ett antal skott i röret för att kalibrera det. Du vet en laddningsvikt och ett tryck på någon målplats, " sa han. "När du går upp laddningsvikten, du kommer att öka trycket, och om du gör en handfull av dessa tester och en hel massa simuleringar för att fylla i tomrummen, du upprättar en kalibreringskurva som talar om för dig hur mycket explosiv du behöver för att uppnå ett måltryck."

Wil Holzmann, som hjälper till att analysera testdata, sa att mer än hundra datakanaler kan samlas in vid tryck, töjningar och accelerationssvar. Analytiker bearbetar experimentella data med hjälp av inbäddad information och använder identiska signalbehandlingsmetoder som experiment- och analysdata och jämför svar för att bedöma modellens trovärdighet.

"Målet är att utveckla validerade analytiska modeller för att förutsäga svar på sprängbelastningar med hög grad av förtroende, " sa Holzmann. Forskare kan använda den validerade modellen för att kvalificera ett vapen för att motstå svåra förhållanden, som en kärnvapenexplosion, som inte direkt kan simuleras med sprängrörstest på marknivå.

Planering tar mycket längre tid än själva testet

Instrumentering är avgörande. Tester som bara varar i millisekunder kräver månaders planering.

"Kommunikation och teknisk excellens är avgörande för framgång, "och det finns bara en chans att få data från den extrema miljön av en explosion, sa John Griffin från Measurement Science and Engineering. "Enkelhet i designen, skydd av hårdvaran, redundans av kritiska element och noggrann verifiering av anslutningar är nyckeln till att säkerställa att vi får data vid det tillfället."

Under de senaste tre åren, Sandia utvecklade en ny mobil instrumentationsenhet, ett system för stor datainsamling som är utformat för att själv kontrollera noggrannheten och "hälsan" för anslutningar före och efter testning.

En härdad trailer omsluter systemet så att det kan placeras nära ett sprängprov. Systemet kan lagra upp till 16 miljoner prover per kanal och spela in cirka 1 gigabyte per sekund vid maximal samplingshastighet, sa Griffin. För jämförelse, han sa, detta motsvarar mer än 70 timmar digital musik eller ungefär 1, 100 låtar.

Glenn sa att det är mer en konst än en vetenskap att mäta tryckpulser. "Om du inte har den rätt inställd och rätt monterad, uppgifterna är värdelösa, "sa han." Det finns ställningar och rack med instrument med trådar som kommer mot dig. Det blir yr i huvudet bara man tittar på det. "

Specialiserad höghastighetsbildbehandling används

Höghastighetsbilder som mäter tryckförändringar hjälper också till att bedöma en stötvågs påverkan. Förr, forskare använde streak-kameror som tittade på bilder genom en fjärdedel av 6-tums slits. Streak-kameror liknar dokumentskannrar, avbilda en kolumn med pixlar och generera en bild genom att objektet rör sig snabbt förbi skanningen.

Nu, en fotografisk teknik som kallas syntetisk schlieren, implementerad för tuffa miljöer av optikingenjören Anthony Tanbakuchi, möjliggör en mycket större vy. Syntetisk schlieren upptäcker förändringar i optiskt index inducerade av förändringar i tryck, temperatur och densitet. Schlieren-effekten är jämförbar med att se krusningar från värme på en väg. Vanliga schlieren (ett tyskt ord som betyder streck i singular) tekniker kräver stor optik, speciell belysning och andra komplexa, känsliga optiska konfigurationer som inte är praktiska för storskaliga tester, sa Tanbakuchi. Syntetisk schlieren kräver ingen speciell inställning förutom en valfri bakgrund och har ingen storleksbegränsning eftersom den letar efter subpixelförskjutningar i bakgrunden för att upptäcka optiska indexförändringar.

Teamet kombinerar syntetiska bildalgoritmer med bildstabiliseringskoder som Tanbakuchi utvecklat för att avbilda en sprängvågsfront. Sandias 50-åriga historia av extrema tester betyder att den har en enorm kodbas för att lösa dessa problem.

Syntetisk schlieren kan användas för allt från tryck- till temperaturavbildning. "Men det största värdet kommer när vi också kombinerar det med de datafusionstekniker vi har utvecklat så att du kan se tryckvågsfronterna med instrumenteringsdata och modelldata, " sa Tanbakuchi. "Det är då hela bilden verkligen framträder."