Lepsza ochrona przed wybuchami

Szczegóły: Opublikowano: poniedziałek, 12, grudzień 2022 08:15; Odsłony: 214

Fot. 1. Lepsza ochrona przed wybuchami

Dzięki badaniom naukowców z Wojskowej Akademii Technicznej, wykonany został kolejny krok na drodze do skuteczniejszego zabezpieczenia ludzi przed eksplozjami. Zespół kierowany przez dr hab. inż. Danutę Miedzińską, prof. WAT, opublikował w czasopiśmie „Materials” wyniki badań nad aluminiowymi konstrukcjami warstwowymi o strukturze plastra miodu.

Badania nad budową struktur zdolnych do pochłaniania energii kinetycznej są prowadzone w bardzo wielu branżach. Prowadzą je inżynierowie zatrudnieni w przemyśle motoryzacyjnym, kolejowym, morskim, lotniczym i kosmicznym. Wypracowane rozwiązania są częścią systemów ochrony czynnej i służą m.in. ochronie przed skutkami wypadków komunikacyjnych oraz innych zdarzeń losowych. Mogą być częścią infrastruktury transportowej, budynku itd.

„W wojsku ważne jest nie tylko zapobieganie, ale również ochrona przed skutkami takich zdarzeń oraz minimalizowanie ich wpływu. Problemem są nie tylko zdarzenia losowe, lecz także zaplanowane i celowe działania człowieka. Systemy ochrony biernej mają szczególne znaczenie dla bezpieczeństwa załóg pojazdów specjalnych” – mówi dr hab. inż. Danuta Miedzińska, kierownik Zakładu Wytrzymałości Materiałów i Badań Eksperymentalnych Wydziału Inżynierii Mechanicznej Wojskowej Akademii Technicznej.

Kosmiczna technologia

„Początki tej technologii związane są z projektami kosmicznymi. Odkryto wtedy, że blachę można prasować na bardzo cienkie arkusze, a następnie nadawać jej strukturę plastra miodu. Uzyskany w ten sposób materiał jest lekki, ale jednocześnie bardzo wytrzymały” – informuje badaczka.

Zastosowanie struktury warstwowej w projekcie Apollo, dzięki któremu w 1969 roku z powodzeniem wylądowano na Księżycu, pokazało jej wysoki potencjał w dziedzinie lotnictwa i kosmonautyki. Badacze NASA, analizując szeroką gamę tego rodzaju materiałów, doszli do wniosku, że najlepsze właściwości energochłonne w stosunku do masy właściwej posiadają elementy o budowie plastra miodu. Z pomocą tej technologii możliwe było skonstruowanie kapsuły Apollo i jej osłony cieplnej, która była lekka, a jednocześnie wystarczająco mocna, aby wytrzymać naprężenia związane z przyspieszeniem podczas fazy startu i ponownego wejścia w atmosferę.

Struktury warstwowe z rdzeniami typu plaster miodu są dziś szeroko stosowane, ponieważ mają wysoki stosunek sztywności do masy i są względnie łatwe w produkcji.

Rosnące zagrożenia

W ostatnich latach rośnie liczba śmiertelnych ataków z użyciem materiałów wybuchowych. Według raportu opublikowanego przez fundację Action on Armed Violence od października 2010 r. do końca września 2020 r. doszło do 28 729 incydentów z użyciem materiałów wybuchowych. W ich wyniku zginęło 357 619 osób, z czego aż 263 487 stanowili cywile. Aż 11 971 zdarzeń dotyczyło użycia tzw. improwizowanych urządzeń wybuchowych (IED – improvised explosive device). Łącznie zginęło w nich lub zostało rannych 171 732 osób, co stanowi 48% wszystkich poszkodowanych przez materiały wybuchowe. Wśród ofiar rannych przez IED znalazło się 80% cywilów i 20% żołnierzy.

Zdaniem amerykańskich władz podczas działań wojennych i operacji stabilizacyjnych miny i improwizowane urządzenia wybuchowe są największym zagrożeniem dla żołnierzy. Obserwacje z wojny w Ukrainie potwierdzają, że nie jest to tylko tendencja obserwowana w konfliktach o charakterze asymetrycznym. Również w warunkach regularnej wojny, w której ton nadaje precyzyjna artyleria lufowa i rakietowa oraz uzbrojone drony liczba ofiar pozostaje wysoka. Według Koordynatora ONZ ds. Humanitarnych na Ukrainie, już w 2020 roku, czyli przed inwazją Rosji z 24 lutego 2022 r., kraj ten był jednym z najbardziej dotkniętych działaniem min na świecie.

Wzrost zagrożeń skłonił również badaczy do wzmożenia prac nad znalezieniem nowych, efektywniejszych sposobów na poprawę bezpieczeństwa załóg. Państwa zaczęły również przykładać większą wagę do modernizacji armii i stawiać wyższe wymagania związane z ochroną przeciwminową i balistyczną. Siły Zbrojne RP również idą w tym kierunku, ponieważ polscy żołnierze podczas misji zagranicznych bezpośrednio doświadczyli zagrożeń związanych z improwizowanymi urządzeniami wybuchowymi. Dodatkowym impulsem jest wzrost zagrożenia w regionie po agresji Federacji Rosyjskiej na Ukrainę.

Poprawić bezpieczeństwo

„Rozpoczynając nasze prace, chcieliśmy stworzyć metodę, dzięki której nie musielibyśmy za każdym razem badać i modelować szczegółowo struktur. Naszym celem było przyjrzenie się deformacjom w zależności od zadawanych prędkości odkształcenia, czyli od obciążenia statycznego w normalnych warunkach po obciążenia dynamiczne na pręcie Hopkinsona (SHPB), który pozwala odwzorować nam prędkości istniejące w czasie wybuchu” – mówi dr hab. inż. Danuta Miedzińska.

Podczas wybuchu ciśnienie fali uderzeniowej jest bardzo duże, co skutkuje dużymi prędkościami odkształcenia. W zależności od wielkości obciążeń prawie każdy materiał ma różne właściwości, również aluminiowa konstrukcja warstwowa o strukturze plastra miodu będąca np. częścią pancerza wozu bojowego. Drugą zmienną jest geometria materiałów, która również ma wpływ na osiągane wyniki.

„Możemy łatwo włożyć rękę do wody, ale jeśli skaczemy do niej z dużej wysokości, to mamy wrażenie, że jest twarda jak beton. Wiedząc, że właściwości materiałów się zmieniają, postanowiliśmy sprawdzić, jak badane przez nas materiały zachowują się przy różnych prędkościach odkształcenia. Ma to przełożenie praktyczne. Inaczej będzie to wyglądało w przypadku wypadku samochodowego, a inaczej w czasie wybuchu improwizowanego ładunku wybuchowego” – wyjaśnia dr Miedzińska.

Uzyskane wyniki wskazują na wpływ zastosowanej prędkości odkształcenia na właściwości wytrzymałościowe, a w szczególności na naprężenie w rdzeniu badanego materiału. W każdym z omawianych przypadków wraz ze wzrostem prędkości odkształcania odnotowano wzrost wartości naprężeń rdzenia w całym zakresie odkształceń, średnio od 10% do 19%. Wzrost ten widoczny jest głównie w końcowej fazie niszczenia struktury, a biorąc pod uwagę parametry geometryczne próbek, wzrost naprężeń rdzenia wynosił około 0,3 MPa pomiędzy próbkami o najmniejszym i największym rozmiarze komórki w teście SHPB oraz około 0,15 MPa w teście z użyciem młota opadowego.

Modelowanie numeryczne

Stworzony przez naukowców model numeryczny pozwolił na szybkie i kompleksowe przeprowadzenie testów energochłonności badanych materiałów. Po ustawieniu odpowiednich parametrów komputer przeliczał wszystko i generował wyniki, dzięki którym możliwe stało się zobaczenie tego, co się dzieje z badanym materiałem.

„Uzyskane w ten sposób wyniki są potem jeszcze sprawdzane w oparciu o rzeczywiste eksperymenty. Chcieliśmy zobaczyć, czy nasz model numeryczny jest właściwy, a założenia przyjęte w obliczeniach prawidłowe. Po wprowadzeniu niewielkich korekt nasz model został pozytywnie zweryfikowany” – mówi dr hab. inż. Danuta Miedzińska.

Testowanie pancerzy na poligonie jest nie tylko dużym wyzwaniem finansowym, ale również logistycznym. Zapewnienie środków bezpieczeństwa kosztuje dużo, wymaga przestrzegania dokładnie określonych procedur i zaangażowania bardzo wielu ludzi. Dlatego modelowanie numeryczne staje się coraz popularniejsze, ponieważ pozwala przy znacznie niższych kosztach osiągać równie dokładne wyniki badań.

Artykuł podsumowujący badania ukazały się w czasopiśmie „Materials” pod tytułem: Experimental Study on Static and Dynamic Response of Aluminum Honeycomb Sandwich Structures. Metoda badań aluminiowych struktur plastra miodu jest rozwijana w ramach doktoratu mgr. inż. Radosława Ciepielewskiego pt. „Modelowanie komputerowe struktur ulowych do zastosowań specjalnych z uwzględnieniem empirycznych charakterystyk wytrzymałościowych”, którego promotorem jest dr hab. inż. Danuta Miedzińska, prof. WAT. W zespole badawczym uczestniczył również dr inż. Roman Gieleta.

Artykuł otrzymał 140 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 3,748.

Marcin Wrzos
fot. Radosław Ciepielewski