Visokobrzinske kamere analiziraju ponašanja materijala pri sudarima

Posljedice pogrešaka u svemiru obično su tragične. Prenosimo zanimljiv članak koji je objavila američka svemirska agencija NASA koja obavlja ispitivanja kako bi razumjeli dosadašnje nesreće i spriječili nove. Pred kraj teksta pokazujemo da alat razvijen za njihove potrebe ima i brojne druge namijene, kao što je razvoj obuće u Adidasu, osiguravanje sigurnosti Ford automobila i Boeing aviona.

 

Istraživanje uzroka nesreće svemirskog broda Columbia

Na Columbiji je 1. veljače 2003. godine, svega nekoliko minuta prije slijetanja, došlo do fatalnog kvara koji je uzrokovao tragičnu nesreću, letjelica se raspala u zraku. Uzrok kvara nastao je 17 dana ranije, tijekom lansiranja, kada je otpali komad pjene udario u rub krila. NASA je nekoliko mjeseci istraživala nesreću kako bi utvrdili što se dogodilo.

Matthew Melis, stručnjak za balistiku iz Glennovog istraživačkog centra koji je sudjelovao u istrazi, tumači uzrok nesreće osnovnim načelom fizike da je uz masa čestice, pri sudaru, važna i brzina. Melis je objasnio kako je lagana pjena imala dovoljnu kinetičku energiju da uzrokuje oštećenja na sustavu za toplinsku zaštitu Columbije, iako je rub krila u koji je udarila, načinjen od kompozita ojačanog ugljičnim vlaknima, iznimno čvrst.

 

Stereo fotogrametrijska analiza udarca (sudara)

 U laboratoriju su simulirali uvjete pri sudaru i detaljno proučili događaj te pomoću stereo fotogrametrije izmjerili udarac pjene u rub krila. Ta tehnika primjenjuje dvije sinkronizirane kamere koje snimaju sudar pod različitim kutovima i programsku opremu koja analizira deformacije materijala tijekom događaja. Pomaci materijala preslikani su u naprezanja i deformacije.

John Tyson, predsjednik tvrtke koja je primijenila
stereo fotogrametrijski sustav za analizu u NASA-i ističe:
"To je slično promatranju s dva oka pozicije predmeta u
trodimenzionalnom prostor. S dvije kamere moguće je točno izmjeriti
približava li se ili udaljava predmet te se može ocijeniti prijeđena udaljenost.

 

Istražitelji nesreće Columbije korištenjem GOM ARAMIS mjernog uređaja eksperimentalno su pokazali što se dogodilo na ojačanom rubu krila pri udaru pjene te predvidjeli što bi se dogodilo da su letjelicu pogodile i ostale čestice.

Zajedno s timom za analizu udara čestica, u Johnsonovom svemirskom centru sastavili su popis različitih materijala koji bi mogli otpasti, od pjene i leda do veziva keramičkih pločica, te procijenili kakve bi bile posljedice pri udaru. Primjenom stereo fotogrametrije, računalnih modela i drugih alata provjerili su što može uzrokovati kritično oštećenje te predložili promjena na strukturi rakete, kako bi smanjili rizike.

Ukoliko su rezultati istraživanja pokazali da je određeni dio pjene prevelik, smanjili su ga ili uklonili, pojašnjava Melis. U jednom slučaju su morali povećati debljinu dvaju prozora za osminu inča kako bi osigurali da ih udarac ne ošteti.

Nakon dvije godine testiranja i analiza, NASA je bila sigurna da može ponovo sigurno lansirati.

 

Prijenos tehnologije

Kada je počela istraga nesreće Columbije 2003. godine, NASA je već primjenjivala stereofotogrametriju za brojne svrhe iako tada raspoloživa tehnologija nije bila primjerena balističkim istraživanjima.

ARAMIS programska oprema za fotogrametriju, koju su tada standardno primjenjivali, mogla je analizirati video snimke s oko 15 slika u sekundi, što je relativno brzo, međutim za istragu nesreće Columbije, morali su analizirati snimak s 30.000 slika u sekundi, koliko je potrebno za takve balističke događaje. Za analizu dovoljnog broja slika u sekundi trebali su metodu za kalibraciju i sinkronizaciju visokobrzinskih kamera, te učinkovit način prijenosa slika iz tih kamera u programsku opremu za provedbu proračuna. Kamere obično pohranjuju snimke izravno na računalo, dok visokobrzinske kamere pohranjuju u vlastitu memoriju.

Za istragu nesreće Columbie 2003. godine i za bolje razumijevanje kako ubuduće spriječiti takve nesreće, tim u Glennovom istraživačkom centru primijenio je visokobrzinske kamere i programsku podršku za stereo fotogrametriju pri analizi sudara. Sustav primijenjen 2004. godine bio je namjenski razvijen za potrebe NASA-ine istrage. Melis je, sa zahtjevom za obradom snimaka s velikim brojem slika u sekundi, kontaktirao tvrtku Trilion Quality Systems iz Philadelphije, jedinog distributera njemačkog sustava GOM ARAMIS u SAD. NASA je željela rezultate analize događaja što prije kako bi načinila potrebne promjene i ponovo uspostavila sigurna lansiranja raketa.

"Stručnjaci tvrtke Trilion utvrdili su da je potrebno ukloniti
 niz manjih poteškoća. Između ostalog, dogovorili smo s proizvođačem
 visokobrzinskih kamera da prilagodi softver zahtjevima naše opreme.
 Za odgovarajuće funkcioniranje programa utrošili smo dva mjeseca,
 uključujući razvoj privremene, te fina podešavanja konačne verzije"
 sjeća se Tyson.

Od tada nadalje, u tvrtki Trilion poboljšavaju i nadograđuju sustav za visokobrzinsko snimanje, zajedno s proizvođačem programske podrške za kamere i tvrtkom GOM koja je razvila program ARAMIS, tako da sve komponente djeluju usklađeno.

Visokobrzinski sustav ARAMIS sada čini 20 % djelatnosti tvrtke Trilion, a sve je počelo kroz suradnju s NASA-om pri analizi nesreće Columbie.

 

Prednosti nove optičke 3D tehnologije

Jedno od najvažnijih područja primjene visokobrzinske stereo fotogrametrije, odnosno visokobrzinske digitalne korelacije slika (eng. Digital Image Correlation, DIC), kako sustav zovu u tvrtki Trilion, područje je ispitivanja materijala.

Tvrtka Trilion Quality Systems i Glennov centar surađivali su na preradi postojećih stereo fotogrametrijskih softvera za visokobrzinske kamere. Sada tvrtka nudi razvijeni sustav za analizu naprezanja i deformacija materijala na različitim područjima, od analize implantata koljena do trkaće obuće, te za niz drugih aplikacija.

Za točna mjerenja se pri vlačnom pokusu obično se primjenjuju ekstenzometri ili mjerne trake na površini ispitnog tijela. Takvi senzori mogu dati samo diskretna mjerenja na konačnom broju točaka. Rezultati mjerenja se unose u programski paket, koji ekstrapolira događanje tijekom ispitivanja na čitavo ispitno tijelo. Kvaliteta rezultata je u tom slučaju ovisna o računalnom modelu primijenjenom za analizu, pri čemu može doći do odstupanja od stvarnog stanja ukoliko senzori nisu postavljeni na odgovarajućem mjestu.

"U slučaju stereo fotogrametrije, softver može bilježiti 
podatke sa čitave površine uzorka odjednom. Umjesto promatranja
jedne točka objekta, snima se istovremeno milijune točaka, što omogućuje puno
bolje razumijevanje stvarnog događanja" pojašnjava Tyson.

Zato stereo fotogrametrijska mjerenja mogu kontrolirati računalni model primijenjen kod mjerenja s fizičkim senzorima ili ga potpuno nadomjesti. Bolje razumijevanje ponašanja materijala omogućuje  poboljšanje učinkovitosti i sigurnosti komponenata.

Kao primjer, Tyson navodi kako su nekad automobili bili načinjeni od čelika, dok je sada automobil sastavljen od 50 različitih materijala od kojih svaki obavlja različitu funkciju. To je bitno povećalo sigurnost automobila.

U Fordu su primijenili Trilionov sustav za testiranje udaraca, kada su željeli na pick-upu F-150 zamijeniti čelik aluminijem. Lakši materijal je doprinio uštedi pri izradi i u potrošnji goriva, no prethodno se trebalo uvjeriti da se time neće smanjiti čvrstoća odnosno sigurnost vozila.

 

Isti sustav upotrebljavaju različite industrije, od proizvodnje automobila i ortopedskih implantata, do sportske i vojničke opreme.

Pogledajte primjenu u proizvodnji vrhunske ADIDAS obuće za trčanje:

 

Adidas  je, u  razvoju nove visoko učinkovite trkaće obuće primijenio visokobrzinski sustav ARAMIS za analizu udara stopala olimpijskih maratonaca u tlo, pri punoj brzini, kada su bosi odnosno obuveni. Jedan od zaključaka tih ispitivanja je bio da obična obuća tijekom trčanja ograničava gibanje ahilove tetive, pojašnjava Tyson. Na temelju tih zaključaka, dizajnirali su trkaću obuću s otvorom u obliku slova »v« na stražnjem dijelu tako da se tetiva može slobodno pomicati.

Pomoću sustava ARAMIS, proizvođač obuće testirao je različite materijale kako bi izabrao najprimjereniji koji omogućava širenje pete u dodiru s tlom. Proučavali su zapravo oblik noge i na temelju toga oblikovali obuću.

"Pored osiguravanja detaljnih i točnih mjerenja po čitavoj površini,
 primjena visokobrzinskog sustava ARAMIS je ujedno i jeftinija.
 Mjerna traka košta 1.500 dolara, što je znatno manje od 100.000 dolara
 kolika je bila početna investicija u sustav ARAMIS,
uključujući programsku podršku, kamere i postavljanje.
 No pokazalo se da su troškovi s vremenom sve manji zbog manjih
troškova rada pri obavljanju mjerenja te troškova senzora." tvrdi Tyson.

Boeing je, nakon loma krila tijekom simulacije letenja pri 120-postotnom opterećenju, primijenio ARAMIS sustav za potvrdu nosivosti konstrukcije na njihovom novom modelu Dreamliner 787. Sudeći prema Boeing-ovim ocjenama, primjena sustava ARAMIS je 10 puta jeftinija u usporedbi s nabavom i izmjenom senzora, a sustav zahtijeva i upola manje posla.

"Ponekad je teško uvjeriti nove korisnike da dvije kamere mogu mjeriti
male pomake jednako točno kao i senzori, međutim pri tome
uvelike pomaže referenca s NASA-om. Nema sumnje da je sustav ARAMIS
pomogao ponovnom uspostavljanju lansiranja raketa." kaže Tyson.

Izvor:

https://spinoff.nasa.gov/Spinoff2018/ip_1.html

Naše web stranice koriste kolačiće kako bi Vama omogućili najbolje korisničko iskustvo, za analizu prometa i korištenje društvenih mreža.
Postavke kolačića