Beschreibung des Reaktionsablaufs
energetischer Materialien bei Laserbestrahlung
vorgelegt von
Dipl.-Ing.
Martin Lück
geb. in Potsdam
von der Fakultät V – Verkehrs- und Maschinensysteme
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
- Dr.-Ing. -
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzende: Prof. Dr. Christina Völlmecke
Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang H. Müller
Gutachter: Priv.-Doz. Dr. rer. nat. Jens Osterholz
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 10. August 2017
Berlin 2017
Kurzzusammenfassung
Die Untersuchung der Wirkung intensiver Laserstrahlung auf energetische
Materialien ist ein Thema mit großer Relevanz für die Sicherheitsforschung und
findet Anwendung bei der Entwicklung neuartiger Verfahren zur sicheren Ent-
schärfung von Sprengsätzen. Die dabei auftretenden Prozesse konnten in der
Vergangenheit noch nicht adäquat beschrieben werden und sind Gegenstand
der vorliegenden Arbeit.
Für die systematische Analyse der Vorgänge bei der Laserwirkung auf ener-
getische Materialien wurde eine Laborumgebung aufgebaut. In den Proben
wurden Temperaturen und Drücke während der Laserbestrahlung gemessen.
Hochgeschwindigkeitsaufnahmen visualisierten den Zeitpunkt der Zündung
und die Reaktionsstärke.
Für ein detailliertes Verständnis wurde eine Simulationsumgebung aufgebaut,
mit welcher der gesamte Reaktionsablauf einschließlich Aufheizphase und
thermischer Initiierung abgebildet werden kann. Die Modellierung der relevan-
ten Prozesse gelang ohne zusätzliche Annahmen, lediglich auf der Basis von
physikalischen Gesetzmäßigkeiten und von Materialparametern aus der Lite-
ratur. Für die Entwicklung der Simulationsumgebung wurde ein bestehender
Hydrocode erweitert, um neben den mechanischen Prozessen auch die Ener-
gieeinkopplung durch den Laser sowie thermische und chemische Prozesse
modellieren zu können. Besondere Herausforderungen ergaben sich aufgrund
der hohen Heizrate und durch einen großen Temperaturgradienten innerhalb
des Materials. Eine weitere Besonderheit sind die stark unterschiedlichen Zeit-
skalen der einzelnen Prozesse. Für die Kopplung der entsprechenden Modelle
konnten geeignete numerische Lösungsansätze entwickelt und implementiert
werden. Die Simulationsumgebung wurde anschließend auf der Grundlage
der experimentellen Untersuchungen erfolgreich validiert.
Abstract
The investigation of the response of energetic materials to intense laser irra-
diation is a topic of great importance in the field of security research with
potential applications to the development of new techniques for the safe neu-
tralization of explosive devices. The occurring physical and chemical processes
which determine the interaction could not yet be described adequately, and
are subject of this work.
A laboratory environment was set up for the systematic analysis of the be-
havior of laser-irradiated energetic materials. Inside the investigated samples,
temperature and pressure were measured during laser irradiation. In addition,
the time to explosion and the reaction strength were visualized by high-speed
video cameras.
For the scientific analysis and a detailed understanding a simulation environ-
ment was developed, which is capable of modeling the complete reaction
sequence including initial heating and thermal initiation. The simulation of the
relevant processes succeeded with no additional assumptions and is based only
on physical principles and material parameters from literature. The simulation
environment was developed on the basis of an existing hydrocode, which was
extended for the calculation of the absorption of laser energy as well as thermal
and chemical processes. Particular challenges arose from high heating rates
and high temperature gradients within the material. Another characteristic
feature are the different time scales of the processes involved in the interaction.
For the coupling of the corresponding models suitable numerical approaches
could be developed and implemented. Finally, the simulation environment was
successfully validated based on the experimental investigations.
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