Hoe kan men de beweging van supercaviterende projectielen in een waterige omgeving bestuderen?

Het is onmogelijk om het volledige complex van problemen op te lossen door uitsluitend theoretische of experimentele methoden toe te passen. In dit verband wordt een allesomvattende theoretische en experimentele benadering voorgesteld voor het bestuderen van de beweging van supercaviterende projectielen in een waterige omgeving. Deze benadering omvat verschillende takken van de wetenschap: hydrodynamica, mechanica van vervormbare vaste lichamen, materiaalkunde, interne ballistiek en gepantserde ballistiek. Het onderzoek richt zich op de interactie van een groep lichamen met hoge snelheid in een waterige omgeving en de interactie met verschillende onderwaterobstakels, in omstandigheden van variërende dieptes en afstanden binnen een snelheidsbereik tot 1500 m/s.

Het experimentele deel van het onderzoek is uitgevoerd met behulp van een unieke hydroballistische baan, die in staat is de fundamentele ballistische kenmerken te registreren, de baan van de projectielen, de toestand van het lichaam in zowel lucht als water, en de interactie tussen de projectielen en de benodigde reeks doelen. Voor elk gebied van de beweging van de projectielen zijn unieke softwarepakketten ontwikkeld en getest die zorgen voor een nauwkeurige beschrijving van de bijbehorende processen, beginnend vanaf de versnelling van het projectiel in een versnellingskanaal tot aan de interactie van het projectiel met obstakels.

Naast de technische resultaten die met deze aanpak worden verkregen, moet men ook begrijpen dat de principes die ten grondslag liggen aan het experimenteren met supercaviterende projectielen diepgaande implicaties hebben voor andere gebieden van de natuurkunde, zoals de geodynamica en materiaalkunde. In de toekomst zal het begrip van de interacties tussen materialen bij hoge snelheden de basis vormen voor tal van nieuwe innovaties in zowel militaire als civiele technologieën.

Het is essentieel om het effect van de snelheid van de projectielen, de diepte van de waterkolom en de aard van de onderwaterobstakels in detail te onderzoeken. Elk van deze factoren beïnvloedt de stabiliteit en effectiviteit van de beweging van supercaviterende projectielen en vereist een specifiek benaderingsmodel voor elk scenario. Verdere optimalisatie van de simulatie- en experimentele methoden zal waarschijnlijk leiden tot meer precieze voorspellingen van de prestaties van dergelijke projectielen onder verschillende omstandigheden.

Verder moeten de verschillende vormen van materiaalinteractie, zowel onder invloed van externe krachten als interne veranderingen in het materiaal zelf, zorgvuldig worden bestudeerd. De rol van de materiaaleigenschappen, zoals sterkte, elasticiteit en vervormbaarheid, is cruciaal voor het begrijpen van de prestaties van projectielen bij extreem hoge snelheden en onderwateromstandigheden.

Hoe wordt de Beweging van Supercavitatieprojectielen Bestudeerd in Water?

De studie van supercavitatieprojectielen in water is een complex en multidimensionaal onderzoeksgebied dat nauwkeurige experimentele en wiskundige modellen vereist. Supercavitatie, het verschijnsel waarbij een object zich in een luchtbel bevindt tijdens zijn beweging door water, maakt het mogelijk om extreem hoge snelheden te behalen, wat van groot belang is voor toepassingen zoals onderwaterprojectielen en voertuigen. Het verkrijgen van een volledig overzicht van het proces van de beweging van een dergelijk projectiel omvat zowel interne als externe ballistiek, evenals de ballistiek van het pantser.

Het fundament van dit onderzoek ligt in het gebruik van een hydroballistisch teststation, een experimenteel systeem dat in staat is de beweging van supercavitatieprojectielen in verschillende media te bestuderen. Dit teststation combineert bekende technische oplossingen met innovatieve benaderingen die specifiek voor dit onderzoek zijn ontwikkeld. De apparatuur maakt het mogelijk om de processen die optreden bij de lancering, beweging en interactie van een projectiel in water in detail te observeren. Dit is essentieel om de dynamica van de projectielen te begrijpen, evenals hun interactie met verschillende obstakels onder water.

Om de verschillende fasen van deze processen te modelleren, zijn er wiskundige modellen en software ontwikkeld die de beweging van supercavitatieprojectielen in water nauwkeurig beschrijven. Deze modellen zijn van cruciaal belang voor het voorspellen van de impact van het projectiel op een doelwit, evenals voor het begrijpen van de krachten die tijdens de interactie optreden. De modellen zijn speciaal ontworpen om de snelheid, richting en interactie van het projectiel in diverse scenario's te simuleren, zoals de botsing met onderwaterobjecten of het doorbreken van wateroppervlakken.

Een bijzonder belangrijk aspect van dit onderzoek is de ontwikkeling van de wiskundige modellen die de dynamica van supercavitatie beschrijven. De uitdagingen die ontstaan door de hoge snelheden en de specifieke eigenschappen van supercavitatie vereisen geavanceerde technieken om de interactie van het projectiel met het water en de omliggende omgeving nauwkeurig vast te leggen. De modellen moeten niet alleen de kinematica van het projectiel beschrijven, maar ook de thermodynamische en hydrodynamische effecten die optreden tijdens de beweging door water.

Bovendien is er een specifieke focus op de wrijving en de weerstand die supercavitatieprojectielen ondervinden wanneer ze door het water bewegen. Supercavitatie vermindert de drag (luchtweerstand) die normaal gesproken aanwezig zou zijn, waardoor het projectiel hogere snelheden kan bereiken. Dit biedt zowel voordelen als uitdagingen: enerzijds verhoogt het de effectiviteit van het projectiel, maar anderzijds brengt het de noodzaak met zich mee om de stabiliteit van het projectiel onder deze extreem dynamische omstandigheden te waarborgen.

De invloed van de vorm van het projectiel, de hoek van het wateroppervlak en de interactie met watermoleculen zijn allemaal factoren die de prestaties van een supercavitatieprojectiel beïnvloeden. Door gebruik te maken van geavanceerde beeldvormingstechnieken en computational fluid dynamics (CFD), kunnen onderzoekers de vorming van de luchtbel die het projectiel omhult, in real-time bestuderen. Dit biedt inzicht in hoe de luchtbel zich aanpast aan veranderingen in snelheid en richting van het projectiel, wat essentieel is voor het verbeteren van de ontwerpprincipes van supercavitatieprojectielen.

Naast de experimentele en theoretische benaderingen is het ook belangrijk om de praktische toepassingen van deze technologie te begrijpen. Supercavitatie wordt niet alleen bestudeerd voor militaire toepassingen, maar ook voor civiele toepassingen, zoals snelle onderwatervoertuigen. Het potentieel om voertuigen in water met zeer hoge snelheden te laten bewegen, opent nieuwe mogelijkheden in zowel de maritieme als de wetenschappelijke onderzoekssector. Dit vraagt echter om voortdurende verfijning van de modellen en de testtechnieken om de veiligheid, efficiëntie en prestaties van deze technologie te optimaliseren.

Er dient echter rekening gehouden te worden met een aantal belangrijke aspecten die verder gaan dan de pure technische werking van supercavitatieprojectielen. De interactie tussen water en projectiel is een dynamisch proces dat door tal van externe factoren kan worden beïnvloed, zoals de temperatuur, de dichtheid van het water en de aanwezigheid van luchtbellen of andere stoffen in de omgeving. Het is ook essentieel om te begrijpen hoe de snelheid en kracht van het projectiel de omgeving zelf kunnen beïnvloeden, bijvoorbeeld in termen van hydrodynamische schokken of de verstoring van de waterstructuur.

Daarom moet de ontwikkeling van supercavitatieprojectielen niet alleen gezien worden als een technische uitdaging, maar ook als een multidisciplinair onderzoeksgebied dat expertise vereist van hydrodynamica, materiaalkunde en computerwetenschappen. Het begrijpen van de volledige impact van supercavitatie op zowel het projectiel als de omgeving vereist een holistische benadering waarbij zowel theoretische modellen als praktische experimenten hand in hand gaan.

Hoe fase-overgangen en thermomechanische processen de eigenschappen van sintered composieten beïnvloeden

Het oorspronkelijke modelmonster wordt voorgesteld als een compact, gevormd door een periodiek systeem van representatieve volumes met een gegeven porositeit en verdeling van de concentraties van de componenten. Een computationale experiment simuleert een macroscopisch vlakke verwarmingsgolf die zich door een poreus medium (gesinterde laag) voortplant, gekarakteriseerd door effectieve deterministische structurele en fysische parameters op elke microlaag (sectie). Er wordt een stap-voor-stap thermomechanische belasting van de microlagen van een poederlichaam overwogen. Voor elke tijdstap in de microlagen worden mogelijke veranderingen in porositeit, graad van fase-overgangen, graad van kristallisatie en andere transformaties geschat. In dit geval worden het volume van de periodiciteitcel, de afmetingen, de concentraties van de componenten en de porositeit opnieuw berekend.

De warmtebalansvergelijking voor het volume V van het gemodelde lichaam, begrensd door het oppervlak F, per tijdseenheid, wordt als volgt weergegeven. De verwijdering van vluchtige organische componenten tijdens de thermische degradatie van het bindmiddel leidt tot een toename van het porvolume, en gecondenseerde degradatieproducten leiden tot een wijziging van de samenstelling van de oorspronkelijke mengcomponenten. Porositeit wordt bepaald door het specifieke volume van de vloeibare fase en de huidige waarde van het specifieke porvolume. Het proces van het verwijderen van het bindmiddel is de laatste fase in de vorming van de structuur van het oorspronkelijke (niet-gesinterde) compact van een disperse body met doorlopende porositeit.

Bij deze fase van de computersimulatie wordt de structuur en verdeling van de componenten van de gewijzigde model-periodiciteitcel vastgelegd. Vaste kristallijne producten van de thermische vernietiging van het bindmiddel, hierna "crist" genoemd, kunnen dienen als een extra bron van residuele thermische spanningen en een toevoeging aan de concentratie van een vuurvaste component in een geconsolideerde amorfe glasmatrix van een gesinterd composiet.

De residuele thermische spanningen in het gesinterde materiaal zijn het gevolg van het verschil in de thermische uitzettingscoëfficiënten van de disperse componenten en de matrix. Thermische spanningen worden beoordeeld vanuit het perspectief van thermoelasticiteit in het temperatuurinterval ΔT = Tp – T0. Het wordt verondersteld dat voor temperatuurwaarden T ≥ Tp, de temperatuurspanningswaarden σT ≈ 0. Om de residuele thermische spanningen in de gesinterde keramische matrix in de microlaag van het gesimuleerde medium te schatten, werd de volgende uitdrukking verkregen: waarbij Kglass(T) de temperatuurafhankelijke elasticiteitsmodulus van glas is; βglass(T), βceramics(T), βcrist(T) de temperatuurafhankelijke effectieve coëfficiënten van de thermische volumetrische uitzetting van de matrix en de disperse vuurvaste componenten – keramische deeltjes en vaste kristallijne producten van de thermische vernietiging van het bindmiddel zijn; Cglass, Cceramics, Ccrist zijn volumetrische concentraties van de matrix en de disperse vuurvaste componenten – laagsmeltend component, vuurvaste keramiek en vaste kristallijne producten van de thermische vernietiging van het bindmiddel.

Numerieke experimenten zijn uitgevoerd op basis van het model van de computersimulatie van mechanochemische processen in reagerende poedermaterialen onder statische en dynamische thermomechanische effecten. Bij de computationele experimenten werden de parameters van het oorspronkelijke modelcompact gevarieerd: de concentraties van componenten en de porositeit. Bij elk resultaat van het computationele experiment werd de convergentie van het differentieschema gecontroleerd; bij elke tijdstap werd iteratieve verfijning van alle fysische en mechanische parameters uitgevoerd.

Hoe werkt het mechanisme van de actuator met geheugenmetaal?

Het mechanisme van de actuator is opmerkelijk vanwege de eenvoud en het feit dat het werkende element volledig uit één materiaal bestaat. De draadelementen, vervaardigd uit titanium-nickelide, hebben de eigenschap om een opgehoopte vervorming te behouden bij lage temperaturen, zolang ze niet worden verwarmd. De draad wordt longitudinaal uitgerekt, en de beweging van het actieve element van de krachtactuator wordt veroorzaakt door de werkstoot van compressie tijdens het verwarmen wanneer een stroom door de draad wordt geleid. De totale vervorming van de draad bestaat uit elastische, temperatuur- en fasevervormingen, waarbij de elastische vervorming het gevolg is van de spanning op de doorsnede van de draad, de temperatuurvervorming wordt bepaald door de lineaire uitzettingscoëfficiënt, en de fasevervorming ontstaat bij het bereiken van een bepaalde spanning.

De afhankelijkheden die de hoeveelheid van de vormgeheugenvervorming verbinden met de vereiste operationele belastingen zijn van cruciaal belang voor het ontwerp van actieve elementen van krachtactuatoren met SME, en kunnen worden bepaald door middel van wiskundige modellering. Deze afhankelijkheden worden de kracht-vervormingsafhankelijkheden genoemd en kunnen worden afgeleid uit experimenten. Om de kracht-vervormingskenmerken van de actieve elementen van de krachtactuatoren te bepalen, werden experimenten uitgevoerd.

Experimenten en resultaten

De actieve elementen van de actuator, die werden vervaardigd in de vorm van een draad met een diameter van 1,5 mm van titanium-nickelide materiaal met SME, werden vooraf onderworpen aan verschillende soorten warmtebehandeling. De temperatuur van de verwarming in de oven varieerde van 450 tot 850 °C, met een behandeltijd van 30 tot 60 minuten, gevolgd door koeling, die ofwel in de oven of met water plaatsvond. Het doel van de warmtebehandeling was om mogelijke interne spanningen te elimineren. De lengte van de actieve elementen was respectievelijk 160 en 460 mm, zoals weergegeven in Figuur 17.4.

Verschillende tests werden uitgevoerd om de stabiliteit van de actuatorparameters te beoordelen, zoals de werkstoot (relatieve verlengingsreductie van het actieve element) en de actuatorkracht (de kracht die door het actieve element wordt gegenereerd). Een trekbelasting werd op het actieve element uitgeoefend, waardoor er trekspanningen in ontstonden. Vervolgens werd het actieve element verwarmd. Toen de temperatuur van het begin van de omgekeerde martensitische transformatie werd bereikt, begon het actieve element zijn lengte te verkorten (de relatieve verlenging te verminderen). Deze lengtevermindering stopte bij de temperatuur van het einde van de omgekeerde martensitische transformatie. Deze cyclus werd drie keer herhaald.

De vervorming van de actieve elementen van de krachtactuator met SME werd uitgevoerd op de experimentele opstelling die in Figuur 17.5 wordt getoond. De verwarming van het actieve element na vervorming werd uitgevoerd op de opstelling van Figuur 17.6.

Tijdens de experimenten werden verschillende parameters van het actieve element gemeten: temperatuur, elektrische weerstand, werkstoot en actuatorkracht. Twee meetmethoden werden gebruikt om de temperatuur te meten: contact- en niet-contactmetingen. Bij de contactmethode werden thermokoppels gebruikt die langs de lengte van het actieve element waren geplaatst. Voor niet-contactmeting werd een thermisch beeldmeetapparaat gebruikt dat de straling van het actieve element in het infraroodbereik meet.

De experimentele gegevens toonden aan dat de relatieve verlenging van het actieve element onder verschillende omstandigheden varieerde, wat resulteerde in herhaalbare resultaten bij de verarming van het actieve element bij verschillende temperaturen. De gemeten kracht- en temperatuurveranderingen, in combinatie met de relatieve vervorming, gaven inzicht in de betrouwbaarheid en het effect van de temperatuur op de werking van het actuatormechanisme.

Belangrijke overwegingen

Bij het ontwerp en de toepassing van actuatoren die gebruik maken van materialen met een vormgeheugen-effect, is het essentieel om de complexe niet-lineaire relaties tussen de verschillende soorten vervormingen (elastisch, temperatuur en fase) goed te begrijpen. De testen benadrukken het belang van zowel temperatuur- als krachtmetingen voor een nauwkeurige karakterisering van het materiaalgedrag onder operationele omstandigheden. De keuze van de meetmethode (contact of niet-contact) kan een aanzienlijk effect hebben op de nauwkeurigheid van de gegevens en daarmee op de ontwerpbeslissingen voor de actuator.