Blast protection with fluids

Abstract

Bei der Detonation einer Sprengladung unter dem Boden eines Fahrzeugs, z. B. einer vergrabenen Mine oder eines improvisierten Sprengkörpers, treten zwei Haupteffekte auf: die Verformung oder Zerstörung des Fahrzeugbodens durch die vom Blast übertragene Belastung und die allgemeine vertikale Beschleunigung des Fahrzeugs. Diese kann aufgrund des auf das Fahrzeug übertragenen Impulses zu einem Überschlag führen. Viele Studien über Fahrzeugschutz in der einschlägigen Literatur befassen sich mit der Übertragung der Belastung und haben zum Ziel, die Verformung des Fahrzeugbodens zu verringern. Es befassen sich aber nur sehr wenige Studien mit der Übertragung des Impulses und damit der Änderung des Bewegungsmoments. Die Verwendung von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, wurde als potenzielles Mittel zur Beeinflussung der Impulsübertragung identifiziert. Die wenigen in der Literatur vorhandenen Studien konzentrieren sich jedoch auf die Wirkungen des Vorhandenseins von Wasser innerhalb der Schutzstruktur. Sie bewerten die Reduzierung des auf das Ziel übertragenen Impulses im Hinblick auf den Verformungsgrad des Ziels. Diese Arbeit hat zum Ziel, die in der Flüssigkeit stattfindenden Phänomene zu identifizieren, die sich auf die Impulsübertragung auswirken. Dafür wird also vor dem Ziel gemessen. Es wurden experimentelle Studien durchgeführt, bei denen ein Explosivstoff enthaltendes Stoßrohr einen Blast überträgt, welcher der Stoßwelle einer vergrabender Mine nahe kommt. Dabei wird der Blast auf einen mit Wasser gefüllten Behälter übertragen. Diese experimentellen Studien wurden durch numerische Simulationen ergänzt, wodurch einige Einschränkungen, wie die Anzahl der Messpunkte, überwunden werden konnten. Es wurde gezeigt, dass die Verwendung einer Flüssigkeit in einer Schutzstruktur gegen Druckwellen zu einer Ausbreitung des Impulses und damit zu einer lokalen Abnahme des Impulses führt. Es wurde ein Zusammenhang zwischen der freien Fläche, aus welcher die Flüssigkeit aus der Schutzvorrichtung ausgestoßen wird, und der Impulsausbreitung hergestellt. Für ein umfassenderes Verständnis des Vorgangs wurde ein Blast-Pendel verwendet, um die Wirkungen einer Flüssigkeit in einer Schutzstruktur auf das Bewegungsmoment zu beobachten. Mit diesem zweiten Versuchsaufbau kann untersucht werden, wie sich die Ausstoßrichtung der Flüssigkeit in Bezug auf die ursprüngliche Belastung durch den Blast auswirkt.

Following the detonation of an explosive charge, such as a buried mine or an improvised explosive device, under a vehicle floor, two main effects occur: the rupture or deformation of the vehicle floor due to the loading transmitted by the blast wave and a global vertical acceleration leading in the worst-case scenario to the overturning of the vehicle, due to the impulse being transmitted. For protection purposes, numerous studies have been conducted in literature regarding load transmission in order to reduce target deformation but very few studies focus on impulse transmission, and thus change in momentum. The use of fluids, and in particular water, has been identified as a possible means on acting on impulse transmission. However, the few studies available in the literature focus on the effects of water being included in the protective structure. Therefore, they evaluate the reduction in transmitted impulse to a target by its reduction in deformation. The aim of this work is to identify the phenomena taking place in the fluid itself acting on impulse transmission, placing the investigation upstream of a potential target. Experimental investigations using an explosive driven shock tube allowing the transmission of a blast wave similar to that of a buried mine to a fluid filled container were carried out. These experimental studies were supplemented by numerical simulations, allowing to overcome certain limitations such as the number of measuring points. It was shown that the use of a fluid in a protection against the effects of blast allows the impulse to be spread out, and therefore its local reduction. A link was established between the free surface allowing the fluid to be ejected out of the protection and this impulse spreading. For a more global comprehension of the phenomenon, a blast pendulum was used to observe the effects of fluid filled protection on momentum. This second experimental setup was used to study the effect of the direction of fluid ejection in relation to the origin of the blast loading.