ID-ul Proiectului:
SOL2017-7
Director de Proiect:
Dr. Victor Kuncser
Tipul proiectului:
National
Finantare:
Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior si a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii, UEFISCDI
Contractor:

Institutul National pentru Fizica Materialelor, INFIM

Status:
In progress
Obiectivele proiectului:

Oferirea de soluţii sub formă de bun (produs/serviciu/proces de fabricaţie) inovator, ca răspuns la necesitatea identificată în sectorul public (achiziţii publice pentru inovare). Soluţia este dată de către conducatorul consorţiului (organizaţia publică de cercetare) la o problemă ridicată de administraţia publică. Tema se defineşte pe baza unui dialog la nivelul entităţilor publice comanditare. Proiectele se segmentează în faze (explorare, dezvoltare, testare funcţională, fezabilitate, acceptabilitate).
Competițiile organizate în cadrul acestui instrument sunt de tip “top-down” (licitație restrânsă). Acestea se organizează conform HG 1265/2004 pentru aprobarea Normelor metodologice privind contractarea, finanţarea, monitorizarea şi evaluarea programelor, proiectelor de cercetare-dezvoltare şi inovare şi a acţiunilor cuprinse în Planul naţional de cercetare-dezvoltare şi inovare, cu modificările si completările ulterioare, și conform Deciziei ANCSI nr. 9388/2016.

Etapa I

Rezultatele activitatile desfasurate in cadrul acestei etape au constat in:

1. Evaluari si explorari privind transferul de date intre senzorii echipamentelor de detectie monitorizare a evenimentelor CBRNE si aplicatia informatica ce urmeza a fi dezvoltata in cadrul proiectului. A fost proiectata arhitectura transferului de date in care au fost incluse module software cu rol in salvarea, sortarea si managementul datelor. In acest sens, s-au utilizat emulatoare software pentru simularea echipamentelor capabile sa genereze serii de date temporale, cu frecventa presetabilita de catre utilizator

2. Stabilirea solutiei tehnice pentru construirea unui sistem portabil autonom si ROV(Remotely Operated Vehicle), pentru detectie si evaluare evolutie situatiilor de tip CBRNe. Justificarea necesitatii dezvoltarii unui astfel de echipament complex, s-a realizat pornind de la identificarea principalelor amenintari la care acesta trebuie sa raspunda. Acestea pot fi formulate astfel: (i) posibilitatea întrebuinţării de către statele inamice sau a gruparilor teroriste  a armelor CBRNE; (ii) producere a emisiilor radioactive sau de materiale toxice industriale, ca urmare a unor accidente/calamitati.

3. Stabilirea unor modele analitice de determinare a vitezei primare si a modului de fragmentare a fragmentelor rezultate in urma  detonarii diverselor tipuri de explozibili confinati in carcase metalice in functie de viteza undei de soc si de puterea exploziei.

3.1 Pentru viteza initiala a fragmentelor s-a propus utilizarea modelului Gurney (1943) descris de Paul W. Cooper in Explosive Engineering, publicata de editura Wiley-VCH, Inc.  in 1996. Modelul presupune ca energia este preluata atat de carcasa metalica a incarcaturii cat si de gazele rezultate a caror expansiune are o dependenta liniara de viteza. Conform acestui model, viteza initiala a fragmentelor se poate exprima in functie de geometrie, de masa carcasei metalice si de masa si tipul incarcaturii explosive. Astfel, in geometrie cilindrica viteza initiala, V, a fragmentelor poate fi exprimata dupa relatia:

este M masa carcasei metalice,  C este masa incarcaturii explosive si E  este o constanta ce tine de tipul de exploziv utilizat (si implicit de energia de explozie a acestuia).

Pentru o incarcatura cu geometrie sferica, viteza initiala este data de:

Pentru o geometrie de tip sandwich simetrica viteza initiala e data de:

Valoarea constantei E este determinata experimental pentru fiecare tip de explozibil si poate fi exprimata prin relatia:  unde D este viteza de detonatie a explozibilului.

Relatiile de mai sus sunt valabile pentru carcase fabricate din materiale ce au rezistenta mare la alungire, astfel incat procesul detonatiei sa poata actiona asupra fragmentelor formate pe o portiune de expansiune a gazului cat mai mare. Daca metalul din care este confectionata carcasa are o rezistenta mica la alungire, atunci fragmentatia s-ar produce prea repede iar procesul de accelerare ar prelua prea putin din energia gazelor rezultate care s-ar propaga pe langa aceste fragmente. In acest caz viteza fragmentelor calculata cu modelul Gurney are o precizie de aprox. 80%.

Distributia dimensionala a fragmentelor rezultate in urma fragmentarii carcasei metalice se poate estima in cadrul modelului Mott [Mott N. F. Fragmentation of Shell gases, Proc. Royal Soc. A189 300-8, 1947]:

unde N(m) este numarul de fragmente cu masa mai mare decat m,  M0 este masa cilidrului metallic iar MK este un factor de distributie dat de relatia: ,  unde B este o constanta specifica perechii explozibil-metal, t este grosimea carcasei cilindrice iar d este diametrul interior al acesteia.

Relatiile de mai sus fac astfel legatura intre caracteristicile explozibilului utilizat (masa si energie de explozie), caracteristicile carcasei metalice si vitezele initiale ale schijelor. Evident ca functie de vitezele initiale si masele schijelor (distributia dupa mase poate fi de asemenea estimata) va exista o balistica specifica a acestora.

Etapa II

In aceasta etapa, un numar de activitati a fost dedicat  conceperii, proiectarii, realizarii si implemetarii unei masini informatice de evaluare anticipativa  a evenimentelor de tip CBRNE. Masina informatica in sensul descris este conceputa ca o componenta distribuibila fizic in instante de instalare autonome dar interconectabile si monitorizabile in retea locala, oferind servicii experte diverselor compartimente ale unui Centru de operatii in situatii de urgenta (Emergency Operations Center, EOC).

Varietatile de date ce alimenteaza masinile executive ale modelelor CBRNE, ca si datele ce rezulta din evaluarile modelelor decurg din natura amenintarilor avute in vedere (Figura 1). Astfel, se pot distinge:

  • Date radiologice si nucleare;
  • Date chimice;
  • Date comunitare, inclusiv biologice - reflectand vulnerabilitatea comunitatilor la agresiuni CBRNE;
  • Date orbitale - relevante in privinta amenintarilor din spatiul extra-atmpsferic;
  • Date documentare.

CBRNE Software este conceputa ca o platforma desktop de aplicatii, date si documente, dotata cu un server integrat pentru comunicatii Internet. Platforma se realizeaza intr-o structura deschisa, actualizabila, alcatuita din module tematice executabile; utilitati de achizitie, actualizare, editare si pre-procesare a datelor; librarii de date; colectii documentare; si facilitati administrative.

Fig.1 CBRNE Software. In stanga - menu-ul de acces al aplicatiilor

Baza de date suport a aplicatiei web, de tip MySQL, a fost conceputa pentru a permite o dezvoltare pe orizontala (Figura 2), in sensul ca, pentru fiecare echipament adaugat de catre administrator in tabelul “_Equipments”, software-ul de achizitie de date ce urmeaza a fi dezvoltat, specific fiecarui echipament din dotarea beneficiarului, isi creeaza in mod automat propriul tabel in care, ulterior, vor fi stocate valorile masurate: “_Equipment_1”, …, “_Equipment_n”.

Fig. 2 Structura bazei de date suport a aplicatiei web

In aceasta etapa s-au dezvoltat si doua modele: un sistem autonom si un sistem ROV (Remotely Operated Vehicle) ca parte a sistemului integrat dedicat monitorizarii evolutiei situatiilor CBRNE ce va avea la baza utilizarea de echipamente de tip “smart sensors” cu rol de detectare rapida a tipului de amenintare, utilizarea acestuia contribuind la limitarea consecintelor.

In aceasta etapa s-a realizat descrierea componentelor modelelor experimentale de sistem portabil autonom si ROV:  bateria de acumulatori;  blocul electronic de achizitie prelucrare date, protocoale de comunicatie si deasemenea s-a realizat proiectarea circuitului imprimat al modulului electronic si a placii de circuit GNSS precum si necesarul de materiale;

Alte activitati ale acestei etape au vizat elaborarea de scenarii privind distributia spatio-temporala a suprapresiunii din unda de soc in functie de puterea exploziei si configuratia incarcaturii explozive, cat si realizarea de experimente propriu zise in poligonul de la INSEMEX.

Unda de soc ce apare in urma detonatiei unui explozibil conventional poate fi caracterizata in coordonate cantitate explozibil (W) – distanta (R) de urmatorii parametrii masurabili: presiune maxima (suprapresiune) si presiune dinamica, presiune incindenta si reflectata, impuls incident si reflectat, timpul de sosire al frontului de unda, viteza frontului de unda, etc. Coordonatele cantitate explozibil – distanta (WR) sunt legate printr-o relatie, numita si legea de scalare Hopkinson-Cranz :

R1/R2 = (W1/W2)1/3

sau echivalent R =ZxW1/3

unde R este distanta de la locul exploziei si pana in locul in care se masoara parametrul respectiv. Coordonata W  reprezinta cantitatea de echivalent TNT (Tri-Nitro-Toluen)  a explozibilului ce  a fost utilizat in detonatie. Relatia de echivalenta intre un anumit explozibil si referinta TNT este data de:

MTNT=(Edexp/EdTNT) x Mexp

Unda de soc produsa de o explozie poate avea o geometrie sferica daca explozia s-a produs in aer la o distanta considerabila fata de suprafata solului sau daca s-a produs in apa la o anumita adancime minima si o geometrie semisferica daca explozia s-a produs pe suprafata solului sau in imediata vecinatate a acestuia. In cazul undelor de soc cu geometrie semisferica pe langa frontul de unda incident apare si un front de unda reflectat la interfata cu suprafata solului. Reflexia undelor de soc se mai poate produce si la interfata dintre aer si suprafetele rigide exterioare sau interioare ale unor constructii civile (ex. pereti, monumente, ziduri, etc). Parametrii componentei reflectate pot avea valori mai mari decat cei ai componentei incidente, deoarece procesele termodinamice ce au loc la interfata mediilor sunt neliniare. La o anumita distanta de locul exploziei unda de soc are profilul aratat in Fig. 3

Fig. 3 Profilul unei undei de soc

In care Pmax  este valoarea maxima a presiunii (suprapresiunea) care se atinge intr-un timp extrem de scurt dupa care descreste pana cand atinge valoarea P0 de referinta a presiunii atmosferice. Asa cum se poate observa in Fig. 3, pe langa faza pozitiva, profilul undei de soc are si o faza negativa in care valoarea presiunii scade sub cea a presiunii atmosferice pana la o valoare minima, Pmin. Durata fazei pozitive este notata cu tdta  fiind timpul in care frontul undei de soc ajunge in punctul respectiv si care cuprinde si durata procesului de detonatie. Durata fazei negative este notata cu tn.

Intre anii 60 si 80 Charles Kingery si Gerald Bulmash au efectuat o serie de experimente in care au masurat parametri mentionati, utilizand cantitati de la sub 1Kg si pana la 400 tone de TNT. Rezultatele masuratorilor au fost fitate cu functii polinomiale ce au devenit un reper in evaluarea efectelor produse de o unda de soc in raport cu masa de explozibil si distanta la care se face evaluarea. In coordonate (WR), experimentele au fost facute pentru un domeniu de variatie a lui Z cuprins intre 0.05 si 40. Pentru unda de soc cu simetrie sferica parametrii caracteristici se pot determina cu ajutorul expresiei polinomiale:

P0=C0+C1U+C2U2+....CnUn

unde: P este logaritmul in baza 10 al parametrului (ex. Presiune, Impuls), C0,1,2..n sunt constante si: U=K0+ln(K1xZ) cu K0,1 constante.

In Fig. 4 este reprezentata familia de curbe pentru mase de explozibil de pana la 2Kg si Z corespunzator pragurilor de declansare a efectelor undei de soc asupra corpului uman.

Fig. 4 Reprezentarea in coordonate WR a curbelor de presiune constanta corespunzatoare pragurilor

de aparitie a efectelor undei de soc cu geometrie sferica asupra corpului uman

Prin simulari numerice, s-a modelat propagarea undei de soc cu geometrie sferica pentru diferite cantitati de TNT. Modelarea s-a facut in simetrie axiala 2D, spatiul concret de simulare fiind un unghi solid cu varful in centrul de detonatie al incarcaturii considerate deasemenea sferice (Fig. 5). La diferite distante fata de centrul incarcaturii explozive s-au plasat in simulare sonde care au inregistrat parametrii de explozie. In Fig. 6a este aratat profilul presiunii undei de soc pentru o incarcatura de 1Kg de TNT la diferite distante fata de centrul exploziei (3, 5 si 7m) si dependenta maximului acesteia in raport cu distanta (Fig. 6b). Aceasta dependenta este comparata cu cea generata de modelul Kingery Bulmash.

Fig. 5 Model geometric pentru simularea numerica a undei de soc sferice generate de o incarcatura exploziva de tip TNT

 

Fig. 6. a) Profilul presiunii undei sferice de soc generate de 1000g TNT_la distantele: 3, 5 si 7 m de centrul de simetrie al detonatiei

Fig. 6. b) Presiune incidenta maxima vs distanta (1000g TNT)

Pentru unda de soc cu geometrie semisferica (Fig 7) parametrii de interes pot fi determinati din expresia polinomiala generalizata:

P=Exp(A+Bln(Z)+C(ln(Z))2+D(ln(Z))3+E(ln(Z))4+F(ln(Z))5+G(ln(Z))6)

unde P este parametrul, iar A, B, C,.. sunt coeficientii polinomului care iau diferite valori in functie de domeniul de variatie al lui Z.

Fig7. Propagarea undei de soc filmata cu camera de mare viteza Phantom la 10000 fps

In Fig. 8 este reprezentata in coordonate WR familia de curbe polinomiale corespunzatoare geometriei semisferice, pentru mase de explozibil de pana la 2Kg si Z corespunzator pragurilor de declansare a efectelor undei de soc asupra corpului uman.

Fig. 8 Reprezentarea in coordonate WR a curbelor de presiune constanta corespunzatoare pragurilor de aparitie a efectelor undei de soc cu geometrie semisferica asupra corpului uman

 

Referinte:

[1] Jinwon Shin, Andrew S. Whittaker, David Cormie, Michael Willford, Design charts and polynomials for air-blast parameters, 3rd International Conference on Protective Structures (ICPS3) Newcastle, Australia, 3-6 February 2015, M.G. Stewart & M.D. Netherton (Eds.)
[2] Jinwon Shin, Andrew S. Whittaker, David Cormie, Will Wilkinson, Numerical modeling of close-in detonations of high explosives, Engineering Structures 81 (2014) 88–97 Michael M. Swisdak, Jr., (Naval Surface Warfare center Indian head Div MD), Defence Technical Information center, 1994
[3] Formulae for ammunition management, in INTERNATIONAL AMMUNITION TECHNICAL GUIDELINE, Second edition, 2015, www.un.org/disarmament/un-saferguard/kingery-bulmash/
[4] Kingery, C. N. and Bulmash, G. (1984) “Airblast parameters from TNT spherical air burst and hemispherical surface burst.” Report ARBRL-TR-02555, US Army Ballastic Research Laboratory, Aberdeen Proving Ground, MD

National Institute of Materials Physics

Atomistilor Str., No. 405A
PO Box MG 7, 077125, Magurele, Romania

Telephone:

+40-(0)21-3690185, +40-(0)21-2418100

Fax:

+40-(0)21-3690177