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.

אופן פעולה 

צינור הלם פשוט הוא צינור בעל מלבני או עגול,, בדרך כלל עשוי ממתכת, שבו גז בלחץ נמוך וגז בלחץ גבוה מופרדים באמצעות צורה כלשהי של דיאפרגמה. הדיאפרגמה נפרצת בפתאומיות תחת תנאים קבועים מראש כדי לייצר גל הלם הנע דרך אזור הלחץ הנמוך. גל ההלם שנוצר מגביר את הטמפרטורה ואת הלחץ של הגז ומשרה זרימה בכיוון של גל ההלם. תצפיות יכולות להתבצע מאחורי חזית הגל, לחלופין ניתן לנצל זמני דגימה ארוכים יותר ולחץ וטמפרטורה מוגברים מאחורי הגל המוחזר.

הגז בלחץ הנמוך, המכונה הגז המונע (driven gas), הוא נתון למעבר גל ההלם. הגז בלחץ הגבוה מכונה הגז המניע (driver gas). החלקים של צינור ההלם נקראים החלק המניע והחלק המונע בהתאמה. הגז המניע הוא בדרך כלל עם משקל מולקולרי נמוך (למשל, הליום או מימן) מטעמי בטיחות, עם מהירות הקול גבוהה, אך עשוי להיות מעט מדולל. כדי לקבל אפקטים חזקים, לחץ הגז המונע הוא הרבה מתחת ללחץ אטמוספירי (ואקום חלקי מושרה בחלק המונע לפני הפיצוץ).

הניסוי מתחיל עם פריצת הדיאפרגמה. ישנן מספר שיטות מקובלות לפריצת הדיאפרגמה. 
 בוכנה מכנית משמשת לעיתים כדי לנקב את הדיאפרגמה או מטען נפיץ.
 שיטה נוספת היא להשתמש בדיאפרגמות מפלסטיק או מתכת עם לחץ פריצה מוגדר. פלסטיק משמש ללחצי פריצה נמוכים, אלומיניום ונחושת עבור רמות גבוהות יותר, פלדה או פלדת אל-חלד, נירוסטה, עבור לחצי הפריצה הגבוהים ביותר. דיאפרגמות אלו הם לעיתים קרובות מחורצות בצורת צלב לעומק מדוד על מנת להבטיח פריצה בצורה שווה, כך שכל חתך הצינור נשאר פתוח לאורך הניסוי.
 שיטה נוספת של פריצת הדיאפרגמה משתמשת בתערובת של גזים דליקים, עם יוזם שנועד לייצר פיצוץ בתוכה, כדי לייצר עלייה פתאומית וחדה בלחץ. גל הדף זה מגביר את הטמפרטורה והלחץ של הגז המונע ומעורר זרימה בכיוון גל ההלם, אך במהירות נמוכה יותר מאשר הגל המוביל.
פריצת הדיאפרגמה מייצרת סדרה של גלי לחץ, כל אחד מגביר את מהירות הקול מאחוריו, כך שהם נדחסים לגל הלם המתפשט דרך הגז המונע. גל הלם זה מגביר את הטמפרטורה והלחץ של הגז המונע ומשרה זרימה לכיוון גל ההלם, אך במהירות נמוכה יותר מאשר הגל המוביל. בו זמנית, גל התפשטות, המכונה גם גל Prandtl-Meyer, מתקדם בכיוון הגז המניע.

הממשק, שלאורכו מתרחשת מידה מסוימת של ערבוב, מפריד בין הגז המונע למניע ונקרא משטח המגע, והוא עוקב אחרי הגל המוביל במהירות נמוכה יותר. 

צינור הלם כימי מיישם הפרדה בין הגז המניע והמונע על ידי זוג דיאפרגמות שנועדו להיכשל עם השהייה של פרק זמן מסוים שנקבע מראש ומיכל עם שטח חתך גדול בקצה. זה מאפשר ירידת טמפרטורה מהירה וקיצונית (quench) של הגזים.

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.

קישורים חיצוניים 

 RPI page
 מחשבון צינורות הלם
  shock tube x-t diagram
 צינור הלם בלחץ גבוה

הערות שוליים 

אווירודינמיקה
כלי מעבדה