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International Telemetering Conference Proceedings / October 22-25, 2001 / Riviera Hotel and Convention Center, Las Vegas, Nevada / Today’s telemetry specifications are requiring electronic systems to not only survive, but operate through severe dynamic environments. Pyrotechnic shock and Random Vibration are among these environments and have proven to be a challenge for systems that rely on highly stable, low phase noise signal sources. This paper will mathematically analyze how Pyrotechnic shock and Random Vibration events deteriorate the phase noise of crystal oscillators (XO).

This study was directed at the pyrotechnic time delay compositions that are used in detonator assemblies. The objectives were to: --Investigate effective alternatives for the barium and lead-based oxidants currently used, maintaining the use of silicon as fuel --Develop easy to use, realistic measurement techniques for burn rates and shock tube ignitability --Determine the variables that affect burn rate, and --Evaluate alternative processing routes to facilitate intimate mixing of the component powders. Lead chromate and copper antimonite were found to be suitable oxidants for silicon in time delay compositions. They were ignitable by shock tubing, a relatively weak ignition source. The measured burn speeds for these systems showed a bimodal dependence on stoichiometry. Measured burn rates varied between 6-28 mm/s. Lead chromate is potentially a suitable alternative to the oxidant currently used in the medium burn rate commercial composition. It burns faster than copper antimonite. The latter is potentially a suitable replacement oxidant for the slow and medium compositions. Antimony trioxide-based compositions exhibited unreliable performance with respect to ignition with shock tubing. The addition of aluminium powder or fumed silica was found to reduce the burn rate. Increasing the silicon particle size (<3,5<font face="symbol">m</font>m) also decreased the burn speed for copper antimonite and lead chromate compositions. Addition of fumed silica improved the flow properties of the lead chromate, copper antimonite and antimony trioxide powders allowing for easier mixing. The silicon powder was found to react violently with water in alkaline solutions. This makes particle dispersion in a wet-mixing process problematic. / Dissertation (MEng (Chemical Engineering))--University of Pretoria, 2006. / Chemical Engineering / unrestricted

This study considered bismuth (III) oxide (Bi2O3) and antimony hexitatridecoxide (Sb6O13) as potential substitutes for the red lead (Pb3O4) and barium sulphate (BaSO4) oxidants currently used in time delay compositions for detonator assemblies. Fine silicon powders with a specific surface area of 2 - 10 m2/g were used as fuels. Some experiments were also done with a coarse manganese powder as fuel. Bi2O3 was synthesised by the thermal decomposition of (BiO) 2CO3 by heating at 460°C for 15 hours. The yield was near quantitative, ie. close to the 91,4% expected based on the complete conversion of the carbonate to the oxide. Sb6O13 was obtained by heating colloidal antimony pentoxide (Sb2O5) for 8 hours at 315°C. This resulted in a ca. 20 % mass loss and yielded a reactive black powder. In the Si-Bi2O3 system, compositions in the range 5 - 40% by mass Si were ignitable with shock tubing. Burn rates measured in lead tubes varied between 15 and 155 mm/s. This highest burn rate was obtained with 20% silicon. Addition of additives such as KMnO4 and boric oxide had little effect on the burn rate. The fast burning Si-Bi2O3 system is a potential replacement for the commercial Si - red lead system. The burning rate decreased with increasing compaction of the samples. Burn rate also decreased when the aluminium instead of lead tubes were used. This is attributed to a greater heat loss with the former. The combustion products were characterised using DTA, FT-IR, XRD and SEM. The results show that the combustion reactions led to reduction of the oxidant to the corresponding metal form. The Sb6O13-Si system requires an initiating composition such as Bi2O3-50%Si (Type 4). It is slow burning and thus a possible replacement for the commercial BaS04-Si system. The lowest sustainable and reproducible burn rate, in the absence of additives, was 4,8 mm/s. It was achieved using 10% silicon Type 4. Adding small amounts of fumed silica <2%) increased the burn rate. This is attributed to better mixing and compaction. However, lower burn rates (~2 mm/s) are possible if more fumed silica is added as inert diluent. Replacing the silicon fuel with manganese powder gave more exothermic and even slower burning compositions. / Dissertation (MSc)--University of Pretoria, 2008. / Graduate School of Technology Management (GSTM) / unrestricted

Récemment, les industries aérospatiale et automobile sont de plus en plus intéressées par les tests virtuels, car ils accélèrent le processus de conception et ils réduisent les coûts. C’est particulièrement vrai dans le cas des industries spatiales où les maquettes sont très coûteuses car les fusées sont uniques ou produites en nombre limité. Ariane 5 (et 6 dans l'avenir) est un lanceur qui est fabriqué par CNES et Airbus DS. Pendant le lancement, la coiffe est détachée par des charges pyrotechniques quand la fusée est à une hauteur suffisante (généralement au-dessus de 100 km). Les vibrations générées par les explosions se propagent dans les coques de la fusée jusqu'à la charge utile qui peut être endommagé. Le test au sol età pleine échelle HSS3+ a été effectué par CNES et Airbus DS pour enquêter sur cette éventualité. Cette thèse développe un logiciel capable de simuler le test HSS3+ pour caractériser les efforts produits par les charges pyrotechniques et pour réduire dans l'avenir le nombre de tests réels nécessaires. La tâche est difficile car la bande de fréquence considérée est très large (jusqu'à moyenne fréquence), les efforts des explosions sont inconnus, la géométrie est complexe et la maquette est composé des coques composites et sandwich. Le logiciel appelé Transient Analysis for PYROtechnic Shocks in Shells (TAPYROSS) est basée sur la Théorie variationnelle des Rayons Complexes (TVRC) qui est une méthode de Trefftz spécifiquement développé pour analyser la moyenne fréquence. De nombreuses améliorations de la théorie et des performances ont été introduits pour étudier ce cas réel de complexité industriel. Le dernier chapitre est dédié aux comparaisons entre les données réelles et les simulations pour valider TAPYROSS et caractériser les efforts des explosions. / Recently, aerospace and automotive industries are increasingly interested in virtual testing since it speeds-up the design process and reduces costs. This is particularly true in case of space industries where specimens are very costly because rockets are unique or produced in limited number. Ariane 5 (and 6 in the future) is a heavy lift launch rocket manufactured by CNES and Airbus DS. During launch the protective fairing is severed from the rocket by pyrotechnic charges once sufficient altitude is reached (typically above 100 km). Shock vibrations propagate throughout rocket shell structure to the payload which can be damaged. The HSS3+ ground full-scale test was developed by CNES and Airbus DS to investigate such eventuality. This thesis develops a software capable of simulating the HSS3+ test to characterize explosion loads and to reduce the number of future required real tests. The task is difficult since the interesting frequency band is wide (up to mid-frequency), the explosion loads are unknown, the geometry is complex, and the specimen is composed of sandwich composite shells. The software called Transient Analysis for PYROtechnic Shocks in Shells (TAPYROSS) is based on the Variational Theory of Complex Rays (VTCR) which is a Trefftz method specifically developed to analyze the mid-frequency band. Many theory and performance improvements are introduced to address this real industrial test case. At the end, comparisons between real data and simulations validate TAPYROSS and characterize explosion loads.

La compréhension et l’amélioration de l’environnement vibratoire des charges utiles demande la mise au point de démarches prédictives maîtrisées qui permettent de comprendre les phénomènes de transmission des ondes de chocs d’origine pyrotechnique dans le lanceur Ariane5. Plus particulièrement, la maîtrise du comportement transitoire des coques sandwichs en nid d’abeilles, principaux constituants de l’Adaptateur de Charges Utiles – structure porteuse des satellites, est nécessaire pour prédire les vibrations au pied des équipements électroniques des satellites et des lanceurs. Cette problématique présente un caractère multi-échelle tant d’un point de vue temporel (charge mobile supersonique, temps d’analyse) que spatial (dimensions des structures du lanceur, taille des cellules en nid d’abeilles, longueurs d’ondes liées aux hautes fréquences). Celui-ci a été traité dans cette thèse en s’appuyant d’une part, sur une qualification à la fois analytique et numérique des modèles classiques homogénéisés des plaques sandwichs en nid d’abeilles pour la gamme de fréquence mise en jeu et d’autre part, sur une application des stratégies de remaillage adaptatif pour la propagation des ondes développées dans le cadre de la méthode de Galerkin espace-temps discontinue en temps. Deux catégories de modèles de plaques épaisses ont été ainsi construites dans le but d’enrichir la cinématique classique de plaques épaisses de Mindlin-Reissner qui s’est avérée être insuffisante pour correctement représenter le comportement dynamique hors-plan des plaques sandwich en nid d’abeilles. Ainsi ont été analysés les modèles dits monocouches basés sur un enrichissement de la cinématique par ajout de degrés de liberté dans l’épaisseur, et les modèles multicouches composés d’une superposition de trois plaques avec une homogénéisation séparée des matériaux. Il a été montré que ces deux sortes de modèles améliorent la description des phénomènes de hautes fréquences, notamment ceux de flexion et de cisaillement transverse qui sont plus délicats à retranscrire. Toutes les études numériques ont été effectuées avec un code éléments finis qui emploie des solveurs adaptatifs dynamiques basés sur la méthode de Galerkin espace-temps discontinue en temps. Cette méthode d’intégration en temps introduit un amortissement numérique dépendant du pas de temps et qui peut interférer avec un amortissement physique susceptible d’être introduit dans un modèle numérique et conduire au final à un amortissement total différent de celui qui est attendu. Cette interaction a été analysée et mise en évidence dans ce travail à travers l’introduction de l’amortissement de Rayleigh dans les modèles de propagation de chocs. Les outils et les modèles de propagation ainsi développés ont été validés sur plusieurs structures académiques et industrielles. Des comparaisons avec des données expérimentales sur des structures industrielles de grande taille, plus particulièrement sur un Adaptateur de Charges Utiles d’Ariane5, sont effectuées et soulignent la cohérence de notre approche ainsi que la fiabilité et l’efficacité des modèles de propagation proposés. / Reliable and efficient numerical models for the pyrotechnic shock wave propagation in structures of the Ariane5 launcher are necessary for a good understanding and a predictive analysis of the payload vibration environment. More precisely, the correct modeling of the dynamic behaviour of the honeycomb sandwich shells, the main material composing the payload adaptor, is essential to control the vibration environment of the payload and the embarked electronic equipments and so to prevent them from damages caused by the shock wave propagation. The topic is obviously a multi-scale problem from both temporal and spatial points of view : short time intervals imposed by supersonic moving loads vs. large total time interval that the slowest waves need to travel throughout the adaptor ; very short wavelengths of high frequency waves, and very small size of the honeycomb cells vs. large structure dimensions. To take into account all involved space-time scales in a reliable and efficient way, the herein study is based both on the analytical and numerical qualification of the classical homogenized models of honeycomb sandwich shells for the frequency range introduced by the pyrotechnic shock wave, and on a dynamic solver based on the well-known space-time discontinuous Galerkin method, allowing the use of adaptive remeshes for the wave propagation. The classical Mindlin-Reissner’s kinematics of thick plates being inefficient to correctly represent the dynamic out-of-plane behaviour of the honeycomb sandwich plates, two kinds of its enrichment are considered : One-layered models based on an enrichment of the kinematics by adding degrees of freedom in the thickness, and multi-layered models composed of a superposition of three plates with separated material homogenisations. It has been shown theoretically and numerically that, both types of enrichment allow more precise descriptions of flexure and transverse shear modes in the high frequency range. However, the multi-layered models give much more promising results, as the important role played by the honeycomb core for the transverse shear behaviour of the whole sandwich is not “smeared” in a one-layered homogenized model. All the numerical studies were conducted with a finite element code which uses a dynamic solverbased on the time discontinuous space-time Galerkin method. The built-in numerical damping of this solver can interfere with a physical damping potentially introduced by the numerical model and results in a global damping totally unexpected. This interaction has been analysed and underlined in this work thanks to the introduction of the Rayleigh damping in the shock wave propagation models. Theoretical and numerical tools and propagating models thus developed have been validated on several academic and industrial structures. Comparison with experimental data on large size industrial structures, especially a real size payload adaptor, is performed and emphasizes the coherence of our approach and the reliability and the efficiency of the proposed propagating models.

Hold down release mechanisms (HDRMs) are used for tightly attaching segments of bodies together when it is desired to release them rapidly at some point. When transporting sensitive payloads on launch vehicles, the challenge arises of releasing the fastened segments of the spacecraft without risking damage to the costly equipment. Non-explosive HDRMs are favourable from a safety perspective as there is a lower risk of producing potentially destructive shock-waves throughout the structure.  One variant of a non-explosive HDRM uses a so called 'split spool initiator'. This initiator can only be used once in the actuator mechanism and to reuse the HDRM the initiator must be replaced. The purpose of this thesis is to design an improved split spool initiator which can be reusable while conserving the functionality aspects of the existing design. To achieve this, different ideas were considered and ultimately a solution using shape memory alloys (SMAs) was explored. A prototype was constructed to demonstrate the functionality of the design and simulations are done to determine the forces acting on different parts of the mechanism. / Hold down release-mekanismer (HDRM) används för att säkert kunna fästa samman delar av strukturer för att sedan kunna lossa dessa vid rätt tillfälle. När det transporteras känslig last på exempelvis rymdfarkoster uppkommer utmaningen att göra så på ett sätt som inte riskerar att skada den ofta dyra utrustningen. Det finns en mängd olika HDRM, dessa kan delas upp i två typer som är icke explosiva release-mekanismer och pyrotekniska release-mekanismer. Icke explosiva release-mekanismer har en fördel över pyrotekniska som är att de inte producerar potentiellt destruktiva chock-vågor som sprids genom strukturen. En typ av icke-explosiva release-mekanismer är den så kallade split spool-initieraren. Denna kan endast användas en gång när fästelementet är aktiverat och för att kunna använda fästelementet igen måste hela initieraren bytas ut. Syftet med denna studie har varit att att designa en förbättrad split spool-initierare som är återanvändbar, medan funktionaliteten hos den ursprungliga designen är bevarad. För att åstadkomma detta övervägdes olika idéer och slutligen valdes en lösning som använder minnesmetaller eller Shape memory alloys på engelska (SMA). En prototyp konstruerades för att demonstrera funktionaliteten hos designen. Simuleringar gjordes även för att bestämma krafter som agerade på split spool-strukturen och för att få en överblick över spänningsfördelningen genom initieraren.

La technique de reconstruction de forme par lumière structurée (ou projection de motifs) permet d’acquérir la topographie d’une surface objet avec une précision et un échantillonnage de points dense, de manière strictement non invasive. Pour ces raisons, elle fait depuis plusieurs années l’objet d’un fort intérêt. Les travaux présentés ici ont pour objectif d’adapter cette technique aux conditions sévères des expériences de physique des chocs : aspect monocoup, grande brièveté des phénomènes, diversité des échelles d’observation (de quelques millimètres au décimètre). Pour répondre à ces exigences, nous proposons de réaliser un dispositif autour d’un système d’imagerie rapide par éclairage laser nanoseconde, présentant des performances éprouvées et bien adaptées. La première partie des travaux s’intéresse à analyser les phénomènes prépondérants pour la qualité des images. Nous montrons quels sont les contributeurs principaux à la dégradation des signaux, et une technique efficace de lissage du speckle par fibrage est présentée. La deuxième partie donne une formulation projective de la reconstruction de forme ; celle-ci est rigoureuse, ne nécessitant pas de travailler dans l’approximation de faible perspective, ou de contraindre la géométrie de l’instrument. Un protocole d’étalonnage étendant la technique DLT (Direct Linear Transformation) aux systèmes à lumière structurée est proposé. Le modèle permet aussi, pour une expérience donnée, de prédire les performances de l’instrument par l’évaluation a priori des incertitudes de reconstruction. Nous montrons comment elles dépendent des paramètres du positionnement des sous-ensembles et de la forme-même de l’objet. Une démarche d’optimisation de la configuration de l’instrument pour une reconstruction donnée est introduite. La profondeur de champ limitant le champ objet minimal observable, la troisième partie propose de l’étendre par codage pupillaire : une démarche de conception originale est exposée. L’optimisation des composants est réalisée par algorithme génétique, sur la base de critères et de métriques définis dans l’espace de Fourier. Afin d’illustrer les performances de cette approche, un masque binaire annulaire a été conçu, réalisé et testé expérimentalement. Il corrige des défauts de mise au point très significatifs (Ψ≥±40 radians) sans impératif de filtrage de l’image. Nous montrons aussi que ce procédé donne accès à des composants tolérant des défauts de mise au point extrêmes (Ψ≈±100 radians , après filtrage). La dernière partie présente une validation expérimentale de l’instrument dans différents régimes, et à différentes échelles. Il a notamment été mis en œuvre sur l’installation LULI2000, où il a permis de mesurer dynamiquement la déformation et la fragmentation d’un matériau à base de carbone (champs millimétriques). Nous présentons également les mesures obtenues sous sollicitation pyrotechnique sur un revêtement de cuivre cylindrique de dimensions décimétriques. L’apparition et la croissance rapide de déformations radiales submillimétriques est mesurée à la surface du revêtement. / A Structured Light System (SLS) is an efficient means to measure a surface topography, as it features both high accuracy and dense spatial sampling in a strict non-invasive way. For these reasons, it became in the past years a technique of reference. The aim of the PhD is to bring this technique to the field of shock physics. Experiments involving shocks are indeed very specific: they only allow single-shot acquisition of extremely short phenomena occurring under a large range of spatial extensions (from a few mm to decimeters). In order to address these difficulties, we have envisioned the use of a well-known high-speed technique: pulsed laser illumination. The first part of the work deals with the evaluation of the key-parameters that have to be taken into account if one wants to get sharp acquisitions. The extensive study demonstrates that speckle effect and depth of field limitation are of particular importance. In this part, we provide an effective way to smooth speckle in nanosecond regime, leaving 14% of residual contrast. Second part introduces an original projective formulation for object-points reconstruction. This geometric approach is rigorous; it doesn’t involve any weak-perspective assumptions or geometric constraints (like camera-projector crossing of optical axis in object space). From this formulation, a calibration procedure is derived; we demonstrate that calibrating any structured-light system can be done by extending the Direct Linear Transformation (DLT) photogrammetric approach to SLS. Finally, we demonstrate that reconstruction uncertainties can be derived from the proposed model in an a priori manner; the accuracy of the reconstruction depends both on the configuration of the instrument and on the object shape itself. We finally introduce a procedure for optimizing the configuration of the instrument in order to lower the uncertainties for a given object. Since depth of field puts a limitation on the lowest measurable field extension, the third part focuses on extending it through pupil coding. We present an original way of designing phase components, based on criteria and metrics defined in Fourier space. The design of a binary annular phase mask is exhibited theoretically and experimentally. This one tolerates a defocus as high as Ψ≥±40 radians, without the need for image processing. We also demonstrate that masks designed with our method can restore extremely high defoci (Ψ≈±100 radians) after processing, hence extending depth of focus by amounts unseen yet. Finally, the fourth part exhibits experimental measurements obtained with the setup in different high-speed regimes and for different scales. It was embedded on LULI2000 high energy laser facility, and allowed measurements of the deformation and dynamic fragmentation of a sample of carbon. Finally, sub-millimetric deformations measured in ultra-high speed regime, on a cylinder of copper under pyrotechnic solicitation are presented.