El tubo de choque es un instrumento que se utiliza para reproducir y concentrar ondas de detonación contra un sensor o un modelo con el fin de simular explosiones reales y sus efectos, la mayoría de las veces a escala reducida. Los tubos de choque (y accesorios relacionados: túneles de choque, tubos y túnel de expansión) también se pueden utilizar para estudiar fenómenos aerodinámicos en un amplio rango de temperaturas y presiones, que son difíciles de obtener en un túnel de viento. Tubos de choque permiten que el análisis de los flujos de fluidos compresibles y de fase gas combustiones . Recientemente, los tubos de choque se han utilizado en la investigación biomédica para estudiar el comportamiento de los tejidos vivos en ondas de choque.
La onda de choque se produce dentro del tubo con un explosivo (tubo de explosión) o dividiendo el tubo con una o más membranas y creando una diferencia de presión crítica en la celda primaria (tubo de aire comprimido).
El francés Paul Vieille utilizó ya en 1899 un tubo de este tipo (con una bomba) en el estudio cuantitativo de los efectos de los explosivos. Pero el nombre de tubo de choque no se utilizó para referirse a este dispositivo hasta la década de 1940, cuando los avances en aerodinámica provocados por el desarrollo de la propulsión a chorro despertaron un renovado interés en él. Se utilizó cada vez más para el estudio de los flujos rápidos de gas alrededor de los fuselajes y dentro de las turbinas y para aclarar los acoplamientos fisicoquímicos activos en las combustiones en fase gaseosa. En 1966, Duff y Blackwell describen un tipo de tubo de choque usando altos explosivos , y hechas de materiales comunes: su diámetro variaba de 0,60 m a 2 m y su longitud de 3 m a 15 m . Estos tubos produjeron ondas de choque con un pico de presión dinámica de entre 7 MPa y 200 MPa y un tiempo de propagación de unos pocos microsegundos a varios milisegundos.
Ya sea que impliquen una explosión o la comunicación de dos recintos, los tubos de choque son hoy parte de los instrumentos científicos que equipan los laboratorios civiles y militares. Los tubos de choque de recintos múltiples son los más baratos (incluido el mantenimiento), pero el frente de onda de presión es bastante diferente al resultante de la detonación y no son adecuados para todas las aplicaciones. Los tubos de detonación crean frentes de onda más cercanos a los resultantes de explosiones en la atmósfera, pero su uso requiere la presencia de personal altamente calificado y paneles de protección. Para ambos tipos de aparatos, la onda de choque a veces va acompañada de un efecto de retroceso vinculado a la expansión repentina de los gases, lo que aumenta la energía cinética de la muestra detrás del frente de onda. Más recientemente, para experimentos de laboratorio, se han desarrollado tubos de choque donde la explosión, obtenida al encender una mezcla detonante de aire y gasolina, desencadena una onda de detonación más cercana a las condiciones de campo libre: el volumen molar de gas que permanece reducido, el efecto de reacción es solo un fracción de la que afecta a los tubos de choque multicámara. Hasta la fecha , Estos tubos de choque, gracias a su pequeño tamaño y un pico de presión razonable, se han convertido en la herramienta de elección para la creación de prototipos, pruebas no destructivas, validación de sensores de presión dinámica, investigación biomédica e incluso aplicaciones militares.
Un tubo de choque es un tubo metálico de sección rectangular o circular, dividido por una membrana intermedia en dos recintos, uno que contiene un gas de baja presión (recinto aguas abajo) y el otro un gas comprimido (recinto aguas arriba). La membrana separadora se desgarra (de forma generalmente muy estudiada) lo que desencadena una onda que se propaga en el recinto aguas abajo. El choque que resulta de la mezcla repentina de los dos gases es exotérmico y crea un flujo en la dirección de la onda de choque. En general, estamos interesados en el flujo detrás del frente de onda, pero los extremos de temperatura y presión que se establecen detrás de la onda reflejada persisten por más tiempo y brindan condiciones de grabación más cómodas.
El gas del recinto aguas abajo, a baja presión, se somete a la onda de choque. En cuanto al gas comprimido, la elección suele ser, por razones de seguridad, un cuerpo químico de bajo peso molecular ( helio o hidrógeno ), donde la velocidad del sonido es alta, pero que a veces se diluye para ajustar las condiciones de la interfaz en el choque. Los choques más violentos se obtienen bajando la presión del gas corriente abajo muy por debajo de la presión atmosférica (es decir, que se produce un vacío parcial del recinto antes de la detonación).
El experimento comienza con el estallido de la membrana, que se puede lograr mediante tres métodos:
La ruptura del diafragma produce una serie de ondas de presión, cada una de las cuales aumenta un poco más la velocidad del sonido corriente arriba, hasta el punto de crear una onda de choque a través de la cámara de baja presión. Esta onda de choque aumenta la temperatura y la presión del gas corriente abajo y provoca un flujo en la dirección de la onda de choque, pero a una velocidad más lenta que la onda inicial. Al mismo tiempo, una onda de vacío , la onda de Prandtl- Meyer, se propaga corriente arriba en la dirección de la fuente de gas.
La interfaz entre los dos volúmenes de gas se denomina "superficie de contacto": se propaga, a menor velocidad, detrás de la onda de choque.
En química, los tubos de choque utilizados comprenden un par de membranas que se destruyen una cerca de la otra según un intervalo de tiempo determinado, y una cámara de expansión, con un diámetro mucho mayor que el resto del tubo. Este volumen de escape permite una expansión muy rápida acompañada de una caída en la temperatura del gas (enfriamiento).
Más allá de las mediciones de la velocidad de formación en cinética química , las mediciones de las energías de disociación y la velocidad de relajación molecular , estos dispositivos se utilizan en aerodinámica. El flujo de gas sacudido por la detonación simula el de un túnel de viento , pero con temperaturas y presiones muy superiores a las que permiten los motores estacionarios: de esta forma podemos reproducir las condiciones que prevalecen en el interior de la turbina de un motor a reacción . Sin embargo, estas condiciones solo se mantienen durante unos pocos milisegundos, debido a la propagación de la superficie de contacto y la de la onda de choque reflejada.
El desarrollo de estos tubos de choque ha llevado desde entonces al diseño de "túneles de choque", equipados con una boquilla y una cámara de expansión. La alta temperatura resultante del flujo supersónico se puede utilizar para simular la reentrada atmosférica de una nave espacial o supersónica, nuevamente por un corto tiempo.
Los tubos de choque tienen dimensiones muy variables según las necesidades. El tamaño y el método utilizados para crear la onda de choque dictan la duración y la presión máxima de la onda producida. Así, los tubos de choque pueden utilizarse tanto para crear y concentrar una onda de detonación contra un sensor o un objetivo como para evaluar, teniendo en cuenta el efecto escala , el daño producido por explosiones reales. Los resultados de los experimentos con tubos de choque son fundamentales para validar los modelos numéricos de la respuesta (tensión y deformación) de un material o una estructura a una detonación. Los tubos de choque permiten finalmente decidir qué materiales y qué formas atenúan mejor el efecto de las detonaciones de forma experimental y, por tanto, diseñar sistemas de protección para las estructuras y personas expuestas a los riesgos de detonación. Los tubos de choque también se utilizan en la investigación biomédica para observar la acción del choque en los tejidos vivos.