Una explosión y un remolino de polvo al detonar 9 libras de explosivo plástico en el desierto marcaron el comienzo de pruebas que, gracias a los avances en cámaras de alta velocidad, técnicas de imágenes y modelado por computadora, ayudarán a los investigadores de Sandia National Laboratories a estudiarfragmentando explosivos de formas que antes no eran posibles.
"Los detalles importan", dijo Mark Anderson, investigador principal del proyecto de rastreo de fragmentos de Sandia, que inició experimentos explosivos en mayo. "Los explosivos son muy complejos de entender y usar, y continuamente nos mantienen humildes".
Los investigadores quieren saber cómo se deshacen las bombas de tubo y otros artefactos explosivos improvisados y cuánta destrucción causan para aprender a mitigar ese daño. Les gustaría crear modelos informáticos de fenómenos explosivos para estudios más amplios, ya que es imposible hacer experimentospara cada situación posible, dijo Phillip Reu, líder del equipo para el desarrollo de diagnóstico en el estudio de tres años y miembro del departamento de Ingeniería y Ciencia de Diagnóstico de Sandia.
El proyecto combina cámaras modernas, tecnología de diagnóstico y los últimos algoritmos informáticos para recopilar más datos. Las técnicas y los equipos anteriores no podían proporcionar datos experimentales suficientemente detallados, lo que obligó a los modeladores a hacer suposiciones sobre cómo fallaron los materiales o dónde volaron los fragmentos.
Desde el punto de vista del diagnóstico, el sueño es poder ver cómo un dispositivo que explota se expande, se deshace y se convierte en fragmentos, luego ve los fragmentos volar y rastrear dónde están en el espacio y en qué direcciones van. Esa comprensión podría llevar amejores modelos y escenarios de "qué pasaría si".
"Tenemos que entender qué crea el medio ambiente para mitigar el medio ambiente", dijo el investigador del departamento de ciencia e ingeniería de la medición, Tim Miller, que está desarrollando algoritmos para medir la forma y la trayectoria de los fragmentos explosivos.
Modeladores, experimentadores intercambian datos
Los modeladores y los experimentadores trabajan en paralelo. "Los modeladores nos dan un resultado previsto, lo que ayuda a los experimentadores a prepararse para la prueba", dijo Anderson, investigador del departamento de Investigación de Sistemas Energéticos de Sandia. "Luego tomamos nuestras medidas y las alimentamosVolvamos al modelador. El intercambio es extremadamente poderoso porque hacemos mejores experimentos teniendo algunos conocimientos de modelado. Y los modeladores ven mejor cómo funciona su código y, lo que es más importante, dónde no funciona, para que puedan descifrar por qué ".
Las mejoras en el equipo de diagnóstico permiten a los investigadores medir mejor lo que sucede en una explosión. "Sabemos que los fragmentos viajan a alta velocidad, pero realmente no conocemos la resistencia aerodinámica", dijo Anderson. "Cuando vemos el tamañoy la forma del fragmento y lo vemos a medida que cae y gira, sabemos que el arrastre cambia ".
Una mejor instrumentación brinda a los investigadores nuevos conocimientos sobre características tales como masa, orientación, relación longitud-ancho, velocidad y velocidad de caída. "¿Es un trozo grande? ¿Es una tira de tocino, es un copo de maíz, es un eslabón de salchicha?Tal vez sea un filete que viene hacia ti ", dijo el investigador de ciencias de la ingeniería Steve Attaway." Esa es la caracterización de la forma ".
La computación de alto rendimiento ha mejorado la capacidad de calcular fracturas y fragmentos. "Estamos ejecutando cálculos ahora que hace 10 años no soñaríamos con intentarlo", dijo. "Dicho esto, todos los cálculos están incompletos en lo que puedeser incluido, por lo que es importante la capacidad de obtener más información sobre cómo hacer aproximaciones para imitar mejor la fractura y la fragmentación ".
La rapidez con que se mueve un fragmento y si gira hace una diferencia en el daño que inflige. El simple hecho de asumir que los fragmentos son de un tamaño o se comportan de una manera sesga la evaluación de posibles daños y las formas de disminuirlos.
"Si cree que el fragmento promedio va a recorrer media milla, pero obtiene uno que tiene la forma justa y vuela 2 millas, entonces ese es un problema, que comienza a ilustrar el aspecto de seguridad de alcance de la fragmentación de dispositivos explosivos".Attaway dijo: "Estamos tratando de obtener la mejor idea que podamos de esa distribución".
Las cámaras digitales de alta velocidad actuales toman millones de fotogramas por segundo, velocidades que capturan suficientes imágenes para crear mediciones que alimentan modelos informáticos complejos y ayudan a validarlos. Las pruebas de Sandia utilizan dos o más cámaras para medir las características tridimensionales de los fragmentos que se disparanEl aire.
Las cámaras se enfrentan a un fondo altamente reflectante, por lo que los fragmentos se destacan. "Estas son cosas que suceden muy, muy rápidamente, por lo que obtener suficiente luz y hacer que las cámaras funcionen en el momento adecuado es muy difícil de hacer", dijo Reu.
El equipo también está trabajando para desarrollar películas de fragmentos de rayos X de alta velocidad. Los rayos X pueden crear imágenes de fragmentos en la etapa inicial de una explosión cuando el humo, las llamas y el polvo oscurecen lo que puede ver una lente óptica.Una película de rayos X a alta velocidad ayudaría a contar la historia de vida completa de un fragmento, dijo Enrico Quintana, investigador del departamento de Rayos X y Evaluación No destructiva.
Si bien las películas de rayos X no son nuevas, tomarlas a alta velocidad sí lo es, dijo. El equipo está desarrollando una forma de crear películas de rayos X continuas, en lugar de construir una serie de imágenes disparando nueve generadores Marx en rápidosecuencia como se ha desarrollado en los últimos cinco años. El equipo está aumentando lentamente la velocidad, pero será un gran salto hacia una película que adquiera cientos o incluso miles de imágenes a velocidades de hasta 1 millón de cuadros por segundo, Quintanadijo.
Hay límites en la cámara de alta velocidad del equipo y su centelleador de rayos X, que convierte fotones de rayos X en fotones de luz. Si bien la configuración actual podría lograr nueve imágenes a una velocidad de 250.000 fotogramas por segundo, la resolución noser ideal.
"Los números importantes para recordar son el ancho de un solo pulso del sistema de rayos X con flash, 50 nanosegundos; la velocidad de obturación más rápida de la cámara, 1 microsegundo; y el tiempo de caída principal del centelleador, 4 microsegundos".Quintana dijo: "Hacer radiografías de ultra alta velocidad es una cuestión de equilibrar las velocidades de esos tres equipos, y estamos limitados por el más lento de los tres".
Al evaluar nuevas formas de proteger el costoso equipo durante una detonación, el proyecto demostró con éxito la capacidad de la película de rayos X. Proporcionó imágenes secuenciales de un sistema de rayos X de múltiples cabezales que capturó el comportamiento de los fragmentos en vuelo, comenzando porlos fragmentos estaban dentro de la bola de fuego explosiva y continuaban mientras los fragmentos comenzaban a girar en vuelo.
El tecnólogo líder Mike Bejarano del departamento de ciencia e ingeniería de medición ayuda a preparar todo, desde cámaras hasta cables y trabaja en el procesamiento de datos posterior a la prueba. El equipo es responsable de proteger el costoso sistema de seguimiento y asegurarse de que se active cuando debería y que elEl delicado sistema de medición permanece estable. "Mover incluso una décima parte de un píxel introduce incertidumbre y reduce la fidelidad de las mediciones", dijo Bejarano.
La correlación de imágenes digitales permite mediciones de campos 3-D
Los investigadores utilizan una técnica llamada correlación de imágenes digitales para observar cómo se expande y rompe una caja de metal alrededor de un explosivo. Recubrieron el objeto con un patrón moteado y colocaron cámaras de alta velocidad y alta resolución en pares para fotografías estéreo. Las cámaras siguencómo se mueve el patrón a medida que explota la caja, y los pares estéreo muestran cómo se desplazan las motas, lo que permite a los investigadores medir los campos de desplazamiento en 3D y ver cuándo las deformaciones son lo suficientemente grandes como para que el metal se fracture.la explosión inicial, las cámaras de captura de datos fallan.
El proyecto utiliza técnicas de algoritmos de procesamiento de imágenes desarrolladas por el investigador de ciencia e ingeniería del diagnóstico Dan Guildenbecher para ayudar a eliminar el ruido que interfiere con las mediciones precisas.
El ruido se define en términos generales. "Tienes cosas como ondas de choque, tienes polvo que se levanta, estás operando cámaras a velocidades muy rápidas y, por lo tanto, son inherentemente ruidosas. Como resultado,recibió ruido que viene con muchas señales falsas diferentes que podrían aparecer en su medición. Tenemos mucho ruido diferente y tenemos que ser capaces de averiguar dónde estamos midiendo las partículas reales ", dijo Guildenbecher.
Tradicionalmente, los experimentos explosivos colocaban capas de madera contrachapada u otro material alrededor de un dispositivo para atrapar fragmentos, lo que se denomina captura blanda, y luego retiraban los fragmentos para estudiarlos. Sin embargo, hubo pocos o ningún diagnóstico para evaluar los fragmentos durante el vuelo.El investigador de Evaluación Estructural Jason Wilke dijo que los experimentos actuales utilizan fotografías e imágenes de alta velocidad para determinar el tamaño y la ubicación de los fragmentos durante la explosión; los investigadores luego extraen los fragmentos correspondientes de la captura blanda para su estudio.
Reu agregó: "¿Contra qué estás validando [el modelo], fragmentos que chocan contra algo o fragmentos que flotan en el aire antes de chocar contra algo? Nos gustaría que estuvieran en el aire antes de chocar contra algo porque eso escómo llegarán a las cosas que nos importan ".
El equipo planea de tres a cuatro series de pruebas al año, cada una con varias explosiones. "Es mejor hacer algunas pruebas, pensar en lo que salió bien, en lo que salió mal, en lo que necesitamos cambiar, luego volver en unos meses yconfigurar otra prueba ", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorios Nacionales Sandia . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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