Studio teorico e sperimentale degli “effetti di collisione superelastica” utilizzati per eccitare in alto

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2291 (2023) Citare questo articolo

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La tecnologia di eccitazione per esperimenti in ambienti con shock ad alto g è attualmente un argomento di interesse, per il quale l'amplificazione della velocità mediante collisioni di corpi impilati verticalmente è stata utilizzata per sviluppare test di shock ad alto g con grande successo. Questo studio ha studiato gli effetti di collisione superelastica generati durante gli impatti tridimensionali unidimensionali ad alta velocità. Sono state derivate formule teoriche in breve per un'indagine analitica delle collisioni. Sono stati eseguiti quattro esperimenti con diverse velocità iniziali ottenute da cadute libere da diverse altezze. Incrementi di velocità maggiori di 5 sono stati ottenuti per le collisioni tra tre corpi, e coefficienti di restituzione maggiori di 2,5 sono stati osservati per il secondo impatto. I risultati sperimentali hanno ben verificato l'esistenza di effetti di collisione superelastici negli impatti unidimensionali di tre corpi.

Per massimizzare il danno e l'efficacia delle armi penetranti avanzate, come i penetratori di ordigni, viene utilizzata una miccia intelligente o un registratore missilistico per rilevare le informazioni ambientali e controllare il punto di esplosione quando si colpisce il bersaglio. Durante il processo di percussione, i componenti di tali sistemi e gli stessi sistemi subiscono generalmente shock pari a decine di migliaia di g (1 g = 9,8 m/s2) per durate di diversi millisecondi. Tutti i componenti e i sistemi stessi devono sopravvivere a tali eventi di carico d'urto ed essere qualificati per ambienti difficili1,2,3,4. Pertanto, è senza dubbio essenziale valutare la sopravvivenza e le prestazioni operative dei componenti e dei sistemi testandoli in ambienti con shock ad alta gravità durante i processi di sviluppo e produzione.

Attualmente, i test sugli shock ad alta gravità possono essere suddivisi in due categorie: test di laboratorio e test con munizioni vere. Un test con munizioni vere, come sparare effettivamente un proiettile da una pistola o da un mortaio, può fornire un ambiente di test appropriato che si avvicina di più all'ambiente di utilizzo effettivo. Tuttavia, i test sulle munizioni vere sono difficili da condurre e molto costosi 3; pertanto, non sono pratici per le attività di sviluppo tecnico che richiedono innumerevoli iterazioni per ottenere i risultati desiderati per i singoli componenti e per i loro assiemi. In condizioni di laboratorio è possibile adottare vari metodi di prova per shock ad alta gravità, tra cui il tavolo a caduta5,6, il martello di machete7,8, la barra Hopkinson9,10 e i metodi con pistola a gas4,11. Questi metodi di test presentano vantaggi e limiti, che non verranno ripetuti in questa sede. Queste limitazioni promuovono lo sviluppo della tecnologia dei test d'urto ad alta gravità. Già negli anni ’60 si scoprì che l’amplificazione della velocità poteva essere ottenuta attraverso collisioni multicorpo unidimensionali12. Alcune discussioni dettagliate su questo problema possono essere trovate nella letteratura successiva13,14,15. Pertanto, agli amplificatori d'urto a doppia massa (DMSA), combinati con le tavole di caduta convenzionali, è stata data sempre più attenzione per l'uso nelle prove d'urto ad alto g. Affermano una gamma di accelerazioni ottenibili durante i test di caduta da 5.000 g fino a 100.000 g utilizzando impatti secondari16,17,18,19. Tuttavia, i loro limiti sono evidenti anche perché utilizzano tavole d’impatto convenzionali. Inoltre, Rodgers et al.20,21,22,23,24 hanno sviluppato un amplificatore d'urto a quattro masse impilato verticalmente. Tuttavia, i risultati dei test hanno rivelato che la macchina per shock a quattro masse impilata verticalmente non presentava alcun vantaggio rispetto alla Hopkinson Bar o persino ai metodi della tavola a caduta. Ad oggi, la generazione di vari ambienti per prove di shock ad alta gravità con buona affidabilità, ripetibilità, praticità e basso costo è un problema di vecchia data con notevoli difficoltà. Spinti dalle esigenze tecniche dei test d'urto ad alto g e ispirati da idee esistenti, gli autori attuali hanno sviluppato un tester d'urto compatto ad alto g con un amplificatore d'urto a tre corpi impilati verticalmente. I risultati sperimentali hanno confermato che questo progetto ha avuto successo25,26,27. Tuttavia, uno studio dettagliato dell’amplificazione della velocità sembra essere stato deliberatamente ignorato, molto probabilmente perché l’attenzione principale era sui parametri dell’impulso di accelerazione dello shock.