צינורות הלם

צינור הלם הוא כלי המשמש ליצירת ולכיוון גלי הדף אל חיישן או דגם כדי לדמות פיצוצים אמתיים ואת ההשפעות שלהם, בדרך כלל בקנה מידה קטן יותר. צינורות הלם (ומתקנים קשורים כגון מנהרות הלם, צינורות התפשטות ומנהרות התפשטות) יכולים לשמש גם לחקר זרימה אווירודינמית בטווח רחב של טמפרטורות ולחצים שקשה להשיגם במתקנים אחרים. צינורות הלם משמשים גם כדי לחקור תופעות בזרימה דחיסה ותגובות בעירה בפאזה הגזית. לאחרונה, צינורות הלם משמשים במחקר ביו-רפואי כדי להבין השפעת גלי הדף על דגימות ביולוגיות.
גל הלם בתוך צינור הלם יכול להיווצר על ידי פיצוץ קטן (blast driven) או על ידי הבנות לחץ גבוה אשר גורם להתפרצות הדיאפרגמה והתקדמות גל הלם בתוך הצינור -  מונעי לחץ (compressed-gas driven).

היסטוריה

מחקר מוקדם של צינורות הלם מונעי לחץ פורסם בשנת 1899 על ידי המדען הצרפתי פול וייל (Paul Vieille), אם כי המנגנון לא נקרא בשמו, צינור הלם, עד 1940. בשנות הארבעים, העניין התחדש, וצינורות ההלם היו יותר ויותר בשימוש לחקר זרימת גזים מהירה סביב עצמים, כימיה והפיזיקה של תגובות בעירה בגז. ב-1966, דאף ובלקוול (Duff and Blackwell)  תיארו סוג של צינור הלם המונע על ידי חומרי נפץ. אלה נעו בין קוטר של 0.6 עד 2 מ' ואורך של 3 עד 15 מ'. הצינורות עצמם נבנו מחומרים בעלות נמוכה, והצליחו לייצר גלי הלם עם לחץ דינמי מרבי של 7 עד 200 MPa ובמשך פרקי זמן של כמה מאות מיקרו-שניות עד מילי-שניות בודדות.
צינורות הלם מונעי לחץ ופיצוץ משמשים כיום עבור יישומים מדעיים וצבאיים. צינורות הלם מונעי גז דחוס קלים יותר לייצור ותחזוקה בתנאי מעבדה; עם זאת, הצורה של גל הלחץ שונה מגל הפיצוץ בכמה היבטים חשובים ואינה מתאימה ליישומים מסוימים. צינורות הלם מונעי פיצוץ מייצרים גלי לחץ המדמים בצורה מציאותית יותר גלים של פיצוץ חופשי. עם זאת, הם דורשים מתקנים ואנשי צוות מומחים לטיפול בחומרי נפץ. כמו כן, בנוסף לגל הלחץ הראשוני, ישנו אפקט סילון הנגרם עקב התפשטות גזים דחוסים (מונעי לחץ) או ייצור של גזים המתפשטים במהירות (מונעי פיצוץ) ועשוי להעביר תנע לדגם הנבחן לאחר שגל ההדף עבר אותו. לאחרונה, פותחו צינורות הלם בקנה מידה מעבדתי המונעים על ידי תערובות דלק ואוויר, המייצרים גלי הדף מציאותיים וניתנים להפעלה במתקני מעבדה רגילים. מכיוון שנפחו המולרי של גז קטן יותר, אפקט הסילון הוא מזערי ביחס לצינורות הלם מונעי גז דחוס.
עד כה, גודלם הקטן ולחצי השיא הנמוכים של צינורות אלה הופכים אותם למתאימים ביותר לניסויים ראשוניים, לא הרסניים של חומרים, כיול ציוד מדידה, לחקר ביו-רפואי ויישומים צבאיים.

יישומים

בנוסף למדידות של שיעורי קינטיקה כימית צינורות הלם היו בשימוש כדי למדוד את אנרגיות הדיסוציאציה ואת קצבי הרלקסציה המולקולרית. הזרימה בחלק הגז המונע יכולה לשמש בתור מנהרת רוח, המאפשרת טמפרטורות ולחצים גבוהים,  המדמים תנאים בתוך טורבינה של מנועי סילון. עם זאת, זמני הניסוי מוגבלים לכמה מילי-שניות, על ידי הגעת משטח המגע או גל ההלם המשתקף.
בהמשך הם עבור פיתוח נוסף למנהרות הלם, עם הוספת נחיר ו dump tank. כתוצאה מכך, הזרימה העל-קולית בטמפרטורה גבוהה יכולה לדמות כניסה מחדש לאטמוספירה של רכב חלל, או מטוס על קולי, לזמני בדיקה מוגבלים.
צינורות הלם פותחו במגוון רחב של גדלים. הגודל והשיטה בהפקת גל ההלם קובעים את לחץ השיא ואת משך הזמן של גל ההלם שהוא מייצר. לפיכך, צינורות הלם הם כלי המשמש ליצירת ולכיוון גלי הלם אל חיישן או דגם כדי לדמות פיצוצים אמתיים ואת ההשפעות שלהם, בדרך כלל בקנה מידה קטן יותר, ובלבד פיצוצים כאלה אינם כרוכים בטמפרטורות גבוהות ורסיסים. תוצאות מניסויים בצינור הלם יכולות לשמש כדי לפתח ולאמת את המודל הנומרי של התגובה של חומר או אובייקט לגל הפיצוץ בסביבתו ללא רסיסים או פסולת. ניתן להשתמש בצינורות הלם כדי לקבוע באופן ניסיוני אילו חומרים ומבנים יהיו המתאימים ביותר להקטנת ולספיגת גלי פיצוץ בסביבתם. לאחר מכן ניתן לשלב את התוצאות ביישומים להגנה על מבנים ועל אנשים שעשויים להיות חשופים לגל ההדף שנוצר מפיצוץ ללא רסיסים או פסולת. צינורות הלם משמשים גם במחקר ביו-רפואי כדי לגלות כיצד הרקמות הביולוגיות מושפעות מגלי הפיצוץ.יש חלופות לצינור הלם קלאסי; לניסויי מעבדה בלחץ גבוה מאוד, גלי הלם יכולים להיווצר באמצעות לייזר קצר-פולס בעצימות גבוהה.