Geschäftsfeld Verteidigung
Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI
Profil
Im Geschäftsfeld Verteidigung liegen die Schwerpunkte der Arbeiten in den Bereichen Schutz und Wirkung. Es werden moderne Schutzkonzepte und neue Werkstoffe für hochdynamische Beanspruchung analysiert sowie Sensorik für ballistische Anwendungen und praxisgerechte Ingenieurprogramme entwickelt. Darüber hinaus werden Analysen zur technischen Sicherheit und Zuverlässigkeit wehrtechnischer Systeme durchgeführt.
Für experimentelle Untersuchungen sind Beschleunigeranlagen mit einem großen Parameterbereich sowohl bezüglich der Massen als auch der Geschwindigkeiten vorhanden. Es können physikalische Effekte bei Detonationen unter Laborbedingungen untersucht werden. Für beide Bereiche stehen verschiedene Labore mit zum Teil weltweit einzigartiger Messtechnik zur Verfügung. Dabei kommen insbesondere bildgebende Verfahren wie Röntgenblitztechnik und spezielle Hochgeschwindigkeitskameras zum Einsatz. Für besondere Anforderungen werden Kurzzeitmesstechniken sowie schnelle Sensorik adaptiert bzw. eigenständig entwickelt.
Die theoretische Analyse von Impaktvorgängen und Stoßwellenereignissen stützt sich auf den Einsatz der numerischen Simulation. Die am hauseigenen Rechencluster durchgeführten Simulationen erfolgen mittels am Institut erstellter Materialmodelle, deren Kennwerte unter hochdynamischen Lastbedingungen am EMI gemessen werden. Zusätzlich werden auf dieser Basis Ingenieurprogramme für die einsatznahe praktische Anwendung entwickelt.
Die beschriebenen Methoden stehen zur Verfügung für experimentelle und simulationsbasierte Analysen bei der Entwicklung neuer Technologien für Heer, Luftwaffe und Marine. Im Bereich Fahrzeugschutz wird die Wirkung von Schulterwaffen, Minen und IEDs (Improvised Explosive Devices) analysiert, ebenso werden neuartige Ansätze für die Bedrohungsabwehr entwickelt. Zum Schutz vor kleinkalibrigen Bedrohungen werden sowohl transparente Panzerungen für Sichtfenster als auch die persönliche Schutzausrüstung optimiert. Für den Feldlagerschutz werden Verfahren des baulichen Schutzes eingesetzt. Durch versuchstechnische Darstellung der mechanischen Werkstoffbeanspruchung unter realistischen, einsatznahen Bedingungen wird z. B. die Verwundbarkeit von Flugzeugkomponenten analysiert oder die Kombination verschiedener Materialien im Hinblick auf ihre ballistische Schutzleistung bewertet. Untersucht wird das Verhalten bei dynamischer Belastung hinsichtlich des spezifischen Materialversagens. Darauf aufbauend werden neue Konzepte entwickelt und für optimierte Schutzanordnungen eingesetzt.
Forschungsbeispiele
Beschleunigungsanlagen für Impaktversuche
Schematischer Aufbau eines Laborbeschleunigers
Ablauf eines Impaktexperiments
Impaktversagen eines Metallstabes
Schutzwirkung einer Keramikpanzerung
Beschleunigungsanlagen für Impaktversuche
Für die Untersuchung der Phänomene beim Aufprall oder dem Einschlag eines Körpers auf die Oberfläche eines in der Regel größeren Körpers deckt Fraunhofer EMI mit seinen Beschleunigungsanlagen in einzigartiger Weise einen sehr weiten Parameterbereich von Impaktormassen und Impaktgeschwindigkeiten ab. Je nach Aufgabe kann die passende Versuchsanlage gewählt werden – oder verschiedene Versuchsanlagen für eine Fragestellung in komplementärer Weise genutzt werden.
- Übersicht EMI-Beschleunigungsanlagen.
Schematischer Aufbau eines Laborbeschleunigers
Am Fraunhofer EMI werden Impaktvorgänge unter Laborbedingungen untersucht. Der schematische Aufbau des Beschleunigers mit angschlossener hochinstrumentierter Impaktkammer ist in der Abbildung (unten) dargestellt. Die Beobachtung von kurzzeitdynamischen Vorgängen erfordert eine sehr hohe Zeitauflösung. Als bildgebende Verfahren werden Röntgenblitztechnik und Hochgeschwindigkeitskameras bzw. –videokameras verwendet. Um auch besonders hohe Impaktgeschwindigkeiten erreichen zu können, werden zweistufige Laborbeschleuniger eingesetzt. Hierbei wird die chemische Energie eines Treibladungspulvers genutzt, um zunächst ein Gas mit sehr geringem Molekülgewicht, wie Wasserstoff oder Helium, mit Hilfe eines im Pumprohr laufenden Kolbens zu komprimieren und schließlich in dem Hochdruckteil einen sehr hohen Druck in der Größenordnung von 10.000 Bar aufzubauen. Bei diesem dynamischen Prozess birst eine Membran und die Anströmung des Projektilbodens setzt ein. Aufgrund der sehr hohen erreichbaren Strömungsgeschwindigkeit des leichten Gases werden hohe Projektil-Geschwindigkeiten erreicht, die die Orbitalgeschwindigkeit erdnaher Satelliten im Weltraum erreichen können.
- Prinzipieller Aufbau der Beschleunigungsanlagen.
- Funktionsprinzip einer Beschleunigungsanlage.
Ablauf eines Impaktexperiments
Für die Durchführung von Impaktversuchen unter Laborbedingungen setzt Fraunhofer EMI Laborbeschleuniger ein. Mit einstufigen Beschleunigern können Impaktgeschwindigkeiten bis zu 3 km/s erreicht werden. Insbesondere für sehr hohe Geschwindigkeiten über 3 km/s werden am Fraunhofer EMI zweistufige Beschleuniger eingesetzt. In der Animation wird gezeigt, wie für eine derartige Anlage in der ersten Stufe die chemische Energie eines Treibladungspulvers in einem sogenannten Pumprohr einen Kolben beschleunigt, um ein Gas mit sehr geringem Molekülgewicht, wie Wasserstoff oder Helium, unter einen sehr hohen Druck zu setzen. Der höchste Druck wird am Schluss der Kolbenbewegung erzielt, wobei der Kolben im sogenannten Abfangteil durch eine Laufdurchmesser-Verjüngung abgestoppt wird. Am Ende dieses Bereichs wird von dem aufgebauten Druck eine Membran durchbrochen und die Bodenfläche des zu beschleunigenden Projektils wird angeströmt. In der Animation wird demonstriert, wie eine kleine Aluminiumkugel auf diese Weise beschleunigt wird, ihre Geschwindigkeit bestimmt und dann der Impakt auf ein geneigtes Ziel untersucht wird.
Impakt- und Wellenphänomene
Wird in einem kurzzeitdynamischen Vorgang ein Körper, wie z.B. ein zylindrischer Stab, an einem Ende beaufschlagt, übertragen sich Deformationen und Spannungen nicht sofort auf den ganzen Körper. Vom Aufschlagort entfernte Bereiche bleiben für eine gewisse Zeit noch ungestört. Deformationen und Spannungen übertragen sich durch das Material in Form von Spannungsstörungen, die sich mit einer endlichen und für das Material charakteristischen Geschwindigkeit von dem Ort des Impakts aus im Körper als Wellenphänomen ausbreiten. Erst allmählich setzt sich das rechte Stabende in Bewegung. Die Verzögerung ist aus der Perspektive der Hochgeschwindigkeitsvideoaufnahme gut zu erkennen.
Impaktversagen eines Metallstabs
Bei Impaktvorgängen werden bereits ab relativ geringen Auftreffgeschwindigkeiten die Belastungsgrenzen von Materialien überschritten und es kommt zu Materialversagen. Je nach beteiligten Materialien, Impaktgeschwindigkeit und den sonstigen Bedingungen kann das Versagen der Materialen sehr verschieden ablaufen und ist abhängig vom Dehnratenbereich der Deformation. Es ist wichtig, die Versagensweise von Werkstoffmaterialen und beispielsweise die damit verbundene Energieaufnahme gut charakterisieren und beschreiben zu können, um eine geforderte Schutzwirkung bei geringstmöglicher Masse realisieren zu können.
Schadensausbreitung in Glas
Bei der Untersuchung der Schadensausbreitung im transparenten Werkstoff Glas ist das detailierte Verständnis der zum Schaden führenden physikalischen Mechanismen ein zentraler Aspekt. Bei der Penetration eines langen, schlanken Schwermetallstabs in Borosilikatglas wird mit Hilfe von Röntgenaufnahmen bestimmt, wie tief der Stab zu verschiedenen Zeitpunkten in den Glaszylinder eingedrungen ist. Bei spröden Materialien läuft der Eindringung des Stabkopfes eine Schadensfront voraus. Bei Glas kann die Ausbreitung dieser Schadensfront durch den Einsatz einer Hochgeschwindigkeitskamera beobachtet werden. Der simultane Einsatz optischer und Röntgenbeobachtungstechnik erlaubt, die Geschwindigkeit der vorauslaufenden Schadensfront in Abhängigkeit von der Eindringgeschwindigkeit zu untersuchen. Für diese Fragestellung wurden die Rolle von Projektil und Ziel vertauscht, d.h. im „reverse ballistic impact test“ wird das Ziel (in der Bildserie der Glaskörper oben) auf ein stehendes Projektil (in der Bildserie der dünne Stab unten) geschossen. Die Analyse derartiger Aufnahmen unterstützt die Modellbildung für das Versagensverhalten des spröden Werkstoffs.
- Oben: Die Hochgeschwindigkeitskamera zeigt die weit fortgeschrittene Schadensfront. Unten: Röntgenbildserie zeigt die Eindringtiefe des dünnen Stabs in dem Glaskörper an.
Schutzwirkung einer Keramikpanzerung
Für eine gezielte Verbesserung der Schutzwirkung von Panzerungen ist es notwendig, die Mechanismen für das Versagen von Schutzwerkstoffen gut zu verstehen. In der Videoaufnahme ist das Versagensverhalten einer Keramikfrontplatte bei Aufschlag eines kleinkalibrigen Projektils aufgezeichnet. Die Entwicklung des Eindringkraters mit Deformation und Materialauswurf sowie der Ablauf der Fragmentierung werden mit hoher zeitlicher Auflösung erfasst. Derartige Prozesse werden vom Fraunhofer EMI weiter analysiert, um ein tieferes Verständnis davon zu gewinnen, wie die Schutzwirkung keramischer Schutzwerkstoffe verbessert werden kann.
Portfolio
- Das Fraunhofer EMI bietet seinen Kunden wissenschaftlich fundierte und mit Einsatz von hochinstrumentierten Laborversuchen sowie adaptierten Simulationsverfahren erarbeitete Analysen und technologische Lösungsvorschläge in den folgenden Bereichen an:
- Laborbeschleuniger für Impaktgeschwindigkeiten von 10 - 10.000 m/s
- Impakt- Stoßwellen-, Lasereffekte Erfassung, Beschreibung und Modellbildung für die zu beobachtenden physikalischen Vorgänge
Materialcharakterisierung und Versagensanalyse - Materialmodellbildung und numerische Simulation für das Verhalten bei hochdynamischem Lasteintrag
- Multiskalenmodellierung und Multiphysics-Prozesse
- Visualisiertechniken für transiente Vorgänge: Hochgeschwindigkeits-Fotografie und – Videografie, Schlieren-Fotografie; Röntgenblitz-Fotografie, -Tomografie und –Kinematografie;
- Kurzzeitmesstechnik: Anwendung und Entwicklung für hochdynamische, transiente Vorgänge und raue Umgebungen; Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Stoßbelastung, Druck; EMV-Untersuchungen
- Diagnostikentwicklung wie optische und Laser-basierte Verfahren zur Temperatur und Geschwindigkeit von (Verbrennungs-) Gasen und hochdynamischen Oberflächen (VISAR und PDV)
- Sensorik- und Elektronikentwicklung für sehr schnelle Vorgänge oder robuste Umgebungen
- Sicherheitsanalysen
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