لوله شوک

[بندانگشتی|350x350پیکسل| دستگاه تست لوله شوک در [دانشگاه اتاوا، کانادا.]]
چپ|بندانگشتی|400x400پیکسل| بقایای فویل آلومینیومی مصرف‌شده توسط دانشجو برداشته می‌شود.
چپ|بندانگشتی|400x400پیکسل| یک لوله شوک ایده‌آل. این نمودار امواج مختلفی را نشان می‌دهد که پس از پاره شدن دیافراگم در لوله تشکیل می‌شوند.
**لوله شوک**  ابزاری است که برای تکثیر و هدایت امواج انفجار به سمت یک حسگر یا مدل، به منظور شبیه‌سازی انفجارها و اثرات آنها، معمولاً در مقیاس کوچکتر، استفاده می‌شود. لوله‌های شوک (و ابزار ضربه‌ای مرتبط مانند تونل‌های شوک، لوله‌های انبساط و تونل‌های انبساط) همچنین می‌توانند برای مطالعه جریان آیرودینامیکی تحت طیف وسیعی از دماها و فشارهایی که دستیابی به آنها در سایر انواع تأسیسات آزمایشگاهی دشوار است، مورد استفاده قرار گیرند. لوله‌های شوک همچنین برای بررسی پدیده‌های جریان تراکم‌پذیر و واکنش‌های احتراق فاز گاز استفاده می‌شوند. اخیراً، لوله‌های شوک در تحقیقات زیست‌پزشکی برای مطالعه چگونگی تأثیر امواج انفجار بر نمونه‌های بیولوژیکی مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

موج ضربه‌ای درون لوله شوک ممکن است به واسطه یک انفجار کوچک (لوله شوک با محرک انفجار) یا با افزایش فشارهای بالا که باعث ترکیدن دیافراگم(ها) و انتشار موج ضربه‌ای در لوله شوک می‌شود (لوله شوک با محرک گاز فشرده) ایجاد شود.

## تاریخچه
یک مطالعه اولیه در مورد لوله‌های شوک با محرک فشار در سال ۱۸۹۹ توسط دانشمند فرانسوی، پل ویله، منتشر شد، اگرچه این دستگاه تا دهه ۱۹۴۰ لوله شوک نامیده نمی‌شد. در دهه ۱۹۳۰ این اصطلاح توسط دبلیو اچ پیمان و دبلیو سی اف شپرد از هیئت تحقیقات ایمنی معادن انگلیس به منظور مطالعه انفجارهای زیرزمینی متان دوباره کشف شد، اما این اصطلاح تا زمان انتشار کتاب بلیکنی و همکارانش در سال ۱۹۴۹ ابداع نشده بود

در دهه ۱۹۴۰، توجه‌ها دوباره جلب شد و لوله‌های شوک به‌طور فزاینده‌ای برای مطالعه جریان گازهای پرسرعت روی اجسام، دینامیک فیزیکی و شیمیایی واکنش‌های احتراق فاز گاز مورد استفاده قرار گرفتند. نسخه مدرن لوله شوک در طول جنگ جهانی دوم در دانشگاه پرینستون توسط گروهی به سرپرستی واکر بلیکنی توسعه داده شد که خلاصه‌ای از مطالعات خود را در سال‌های ۱۹۴۶ و ۱۹۴۹ منتشر کردند.

در سال ۱۹۶۶، داف و بِلَکول نوعی لوله شوک با محرک مواد منفجرهٔ قوی را توصیف کردند. قطر این لوله‌ها از ۰٫۶ تا ۲ متر و طول آنها از ۳ تا ۱۵ متر متغیر بود. خود لوله‌ها از مواد کم‌هزینه ساخته شده بودند و امواج ضربه‌ای با قله فشارهای دینامیکی ۷ تا ۲۰۰ مگاپاسکال و مدت زمان چندصد میکروثانیه تا چند میلی‌ثانیه تولید می‌کردند.

هر دو نوع لوله شوک با محرک فشار و با محرک انفجار در حال حاضر برای کاربردهای علمی و نظامی استفاده می‌شوند. لوله‌های شوک با محرک گاز فشرده در شرایط آزمایشگاهی راحت‌تر به دست می‌آیند و نگهداری می‌شوند؛ با این حال، شکل موج فشار از برخی جهات مهم با موج انفجار متفاوت است و ممکن است برای برخی کاربردها مناسب نباشد. لوله‌های شوک با محرک انفجار، امواج فشاری‌ای تولید می‌کنند که نسبت به امواج انفجار میدان آزاد، واقعی‌تر هستند. با این حال، به امکانات و پرسنل متخصص برای کار با مواد منفجره قوی نیاز دارند. همچنین، علاوه بر موج فشار اولیه، اثر جت ناشی از انبساط گازهای فشرده (با محرک فشار) یا تولید گازهای با انبساط سریع (با محرک انفجار) پس از عبور موج انفجار رخ می‌دهد و ممکن است اندازه‌حرکت را به نمونه منتقل کند. اخیراً، لوله‌های شوکی در مقیاس آزمایشگاهی توسعه یافته‌اند، که با محرک مخلوط سوخت و هوا به کار می‌افتند، و امواج انفجار واقعی تولید می‌کنند، و می‌توانند در تأسیسات آزمایشگاهی معمولی‌تر مورد استفاده قرار گیرند. از آنجا که حجم مولی گاز بسیار کمتر است، اثر جت کسری از اثر آن برای لوله‌های شوک با محرک گاز فشرده است. تا به امروز، اندازه کوچک‌تر و قله فشارهای پایین‌تر تولیدشده توسط این لوله‌های شوک، آنها را برای آزمایش‌های اولیه و غیرمخرب مواد، اعتبارسنجی تجهیزات اندازه‌گیری مانند تراگذارهای فشار پرسرعت و تحقیقات زیست‌پزشکی و همچنین کاربردهای نظامی، بسیار کارآمد کرده است.

## عملکرد
[چپ|بندانگشتی| [ورق آلومینیومی|فویل آلومینیومی به عنوان دیافراگم بین قطعات لوله شوک استفاده می‌شود.]]
یک لوله شوک ساده، لوله‌ای با مقطع مستطیلی یا دایره‌ای است که معمولاً از فلز ساخته می‌شود و در آن یک گاز با فشار کم و یک گاز با فشار بالا با استفاده از نوعی دیافراگم از هم جدا می‌شوند. برای مثال، به متون سولوخین، گیدون و هرل و بردلی مراجعه کنید. دیافراگم تحت شرایط ازپیش‌تعیین‌شده ناگهان باز می‌شود تا موجی تولید کند که در بخش کم‌فشار منتشر می‌شود. شوکی که در نهایت تشکیل می‌شود، دما و فشار گاز مورد آزمایش را افزایش می‌دهد و جریانی را در جهت موج شوک القا می‌کند. مشاهدات را می‌توان در جریان پشت جبهه برخورد انجام داد یا از زمان‌های آزمایش طولانی‌تر و فشارها و دماهای بسیار افزایش‌یافته در پشت موج بازتاب‌شده بهره برد.

گاز کم‌فشار، که به آن گاز رانده‌شده می‌گویند، در معرض موج شوک قرار می‌گیرد. گاز پرفشار به عنوان گاز محرک شناخته می‌شود. بخش‌های متناظر لوله نیز به همین ترتیب بخش‌های محرک و رانده‌شده نامیده می‌شوند. گاز محرک معمولاً به دلایل ایمنی، با وزن مولکولی کم (مانند هلیوم یا هیدروژن)، و با سرعت بالای صوت انتخاب می‌شود، اما ممکن است برای «تنظیم» شرایط سطح مشترک در سراسر شوک، کمی رقیق شود. برای به دست آوردن قوی‌ترین ضربه‌ها، فشار گاز رانده‌شده بسیار کمتر از فشار اتمسفر است (قبل از انفجار، یک خلأ نسبی در بخش رانده‌شده القا می‌شود).

تست با ترکیدن دیافراگم آغاز می‌شود. معمولاً از روش‌های مختلفی برای ترکاندن دیافراگم استفاده می‌شود.
* گاهی اوقات از یک پیستون مکانیکی برای سوراخ کردن آن استفاده می‌شود یا ممکن است از یک ماده منفجره برای ترکاندن آن استفاده شود.
* روش دیگر استفاده از دیافراگم‌های پلاستیکی یا فلزی برای تعریف فشارهای ترکیدگی خاص است. پلاستیک‌ها برای کمترین فشارهای ترکیدگی، آلومینیوم و مس برای سطوح تا حدودی بالاتر و فولاد نرم و فولاد ضدزنگ برای بالاترین فشارهای ترکیدگی استفاده می‌شوند. این دیافراگم‌ها اغلب به صورت ضربدری و تا عمق کالیبره‌شده خط‌کشی می‌شوند تا از پارگی یکنواخت آنها اطمینان حاصل شود و گلبرگ‌ها را به گونه‌ای شکل دهند که کل مقطع لوله در طول زمان تست باز بماند.
* یک روش دیگر برای پاره کردن دیافراگم، استفاده از مخلوطی از گازهای قابل احتراق است، که در آن از یک آغازگر برای ایجاد انفجار استفاده می‌شود، و موجب افزایش ناگهانی و شدید در آنچه ممکن است یک محرک تحت فشار باشد یا نباشد، می‌شود. این موج انفجار، دما و فشار گاز رانده‌شده را افزایش می‌دهد و جریانی را در جهت موج شوک اما با سرعتی کمتر از موج اولیه القا می‌کند.

دیافراگمِ در حال ترکیدن، مجموعه‌ای از امواج فشار تولید می‌کند که هر یک، سرعت صوت پشت سر خود را افزایش می‌دهند، چنان‌که به صورت یک شوک فشرده می‌شوند و در گازِ رانده‌شده پخش می‌شوند. این موج شوک، دما و فشار گاز رانده‌شده را افزایش می‌دهد و جریانی را در جهت موج شوک اما با سرعتی کمتر از موج اولیه القا می‌کند. همزمان، یک موج انبساط، که اغلب به عنوان موج پرانتل-مایر شناخته می‌شود، به سمت گاز محرک برمی‌گردد.

سطح مشترک، که در آن میزان محدودی از مخلوط‌شدگی رخ می‌دهد، گازهای رانده‌شده و گازهای محرک را از هم جدا می‌کند و به عنوان سطح تماس شناخته می‌شود و با سرعت کمتری، موج پیشرو را دنبال می‌کند.

یک «لوله شوک شیمیایی» شامل جداسازی گازهای محرک و رانده‌شده توسط یک جفت دیافراگمی است که برای از کار افتادن پس از تأخیرهای از پیش تعیین‌شده با یک «مخزن تخلیه» انتهایی با سطح مقطع بسیار افزایش‌یافته طراحی شده‌اند. این امر امکان کاهش بسیار سریع (خنک کردن) دمای گازهای گرم‌شده را فراهم می‌کند.

## کاربردها
لوله‌های شوک، علاوه بر اندازه‌گیری نرخ سینتیک شیمیایی، برای اندازه‌گیری انرژی‌های تفکیک و نرخ‌های آرامش مولکولی استفاده شده است و در آزمایش‌های آیرودینامیکی نیز مورد استفاده قرار گرفته‌اند. جریان سیال در گاز رانده‌شده را می‌توان به عنوان یک تونل باد مورد استفاده قرار داد و دماها و فشارهای بالاتری را در آن ایجاد کرد که شرایط بخش‌های توربین موتورهای جت را شبیه‌سازی می‌کند. با این حال، زمان تست، به دلیل رسیدن سطح تماس یا به دلیل موج شوک منعکس‌شده، به چند میلی‌ثانیه محدود می‌شود.

لوله‌های شوک بیشتر به تونل‌های شوک، با یک نازل و مخزن تخلیه اضافه، توسعه داده شده‌اند. جریان مافوق صوت با دمای بالای حاصل می‌تواند برای شبیه‌سازی ورود مجدد فضاپیما یا وسیلهٔ نقلیهٔ مافوق صوت به جو، باز هم با زمان آزمایش محدود، مورد استفاده قرار گیرد.

لوله‌های شوک در اندازه‌های متنوعی توسعه یافته‌اند. اندازه موج شوک و روش تولید آن، قله و مدت زمان موج فشار تولیدشده را تعیین می‌کند؛ بنابراین، لوله‌های شوک می‌توانند به عنوان ابزاری برای ایجاد و هدایت امواج انفجار به سمت حسگر یا جسم مورد نظر قرار گیرند تا انفجارهای واقعی و خساراتی که ایجاد می‌کنند را در مقیاسی کوچکتر شبیه‌سازی کنند، مشروط بر اینکه چنین انفجارهایی شامل دمای بالا و پرتاب ترکش یا آوار نباشند. نتایج حاصل از تست‌های لوله شوک را می‌توان برای توسعه و اعتبارسنجی مدل عددی پاسخ یک ماده یا جسم به موج انفجار محیطی بدون پرتاب ترکش یا آوار مورد استفاده قرار داد. می‌توان از لوله‌های شوک برای تعیین تجربی مواد و طراحی‌های مناسب برای تضعیف امواج انفجار محیطی بدون پرتاب ترکش یا آوار استفاده کرد. سپس این نتایج را در طراحی‌هایی گنجاند که به منظور محافظت از سازه‌ها و افراد در معرض موج انفجار محیطی بدون پرتاب ترکش یا آوار انجام می‌شوند. لوله‌های شوک در تحقیقات زیست‌پزشکی برای بررسی چگونگی تأثیر امواج انفجار بر بافت‌های بیولوژیکی نیز استفاده می‌شوند.

جایگزین‌هایی برای لوله شوک کلاسیک وجود دارد؛ برای تست‌های آزمایشگاهی در فشار بسیار بالا، موج‌های شوک را می‌توان با استفاده از لیزرهای پالس کوتاه با شدت بالا نیز ایجاد کرد.

## جستارهای وابسته
* موج شوک
* تونل باد مافوق صوت

## منابع

## پیوند به بیرون
* صفحه لوله شوک RPI
* ماشین حساب لوله شوک
* نمودار لوله شوک xt
* گروه لوله شوک فشار بالا

رده:آیرودینامیک
رده:امواج ضربه‌ای
رده:تجهیزات آزمایشگاهی