Diagnostic optique à grande vitesse d’un canon de ping-pong supersonique

Nous décrivons une méthode pour la construction d’un canon de ping-pong supersonique (SSPPC) ainsi que des techniques de diagnostic optique pour la mesure de la vitesse de la balle et la caractérisation de la propagation des ondes de choc pendant le tir du canon.

Nous fournissons des instructions pour construire et utiliser un canon de ping-pong supersonique ainsi que des techniques de diagnostic optique pour mesurer la vitesse des balles et détecter les ondes de choc. La configuration optique du bord du couteau est très sensible aux petites déviations transversales d’un faisceau laser et fournit un moyen de détecter les ondes de choc associées au canon. Pour commencer, alimentez les récepteurs photo et le module laser en les connectant à une alimentation limitée à courant de 15 volts et à une alimentation laser.

Ensuite, fixez les récepteurs photo aux deux canaux de l’oscilloscope à l’aide de câbles BNC. Pour la configuration du diagnostic optique, placez le laser perpendiculairement au canon fabriqué avec le premier faisceau traversant les fenêtres en acrylique à l’intérieur du tuyau et le second juste à l’extérieur de la sortie du canon. Placez du ruban électrique noir sur la moitié du capteur du récepteur photo, créant ainsi une configuration de détection des chocs sur le tranchant du couteau.

Pour éviter l’écrêtage, réglez la position du faisceau sur le bord du couteau de sorte que la tension de base soit d’environ 50 % du maximum. Ensuite, ajustez les paramètres de l’oscilloscope pour collecter 20 millions de points de données. Utilisez le bouton de la balance horizontale pour régler le taux d’acquisition des données à 500 mégahertz.

Tournez le bouton de déclenchement pour qu’il se déclenche à une tension légèrement inférieure à la ligne de base définie acquise à partir du récepteur photo. Avant de tirer le PPC, portez une protection des oreilles et des yeux. Insérez une balle de ping-pong dans la sortie du canon et soufflez légèrement dans l’extrémité du canon jusqu’à ce qu’elle atteigne le raccord d’aspiration près de l’entrée du tuyau.

Scellez la bride de sortie et le capuchon en acrylique du canon à l’aide de deux morceaux de ruban adhésif carré. Assurez-vous que le faisceau laser est centré sur le bord du couteau, que la gâchette est correctement positionnée et que le récipient de capture est sécurisé. Allumez la pompe à vide pour évacuer le tuyau à une pression absolue réduite inférieure à deux Torr.

Une fois qu’un vide suffisant est atteint, utilisez une pointe à tête large pour percer le ruban à l’entrée. Après la cuisson, éteignez la pompe à vide et retirez tout ruban restant de la bride de sortie et du capuchon en acrylique. Pour tirer le PPC supersonique, fermez la vanne reliant le tuyau de commande au compresseur d’air et remplissez le réservoir du compresseur d’air.

Soufflez la balle, comme démontré précédemment. Après avoir scellé la bride de sortie PPC supersonique, insérez un mince diaphragme en polyester prédécoupé entre deux joints en caoutchouc et placez-les entre le pilote du canon et les sections entraînées. Connectez les deux sections à l’aide de quatre colliers de serrage.

Une fois la pression réduite dans le tuyau, relâchez la pression du compresseur d’air dans le tuyau du conducteur, ce qui permet d’augmenter la pression jusqu’à ce que le diaphragme se rompe et que l’air comprimé dans le tuyau d’entraînement rempli le tuyau entraîné sous vide. Après la mise à feu supersonique du PPC, éteignez le compresseur d’air et la pompe à vide. Retirez le diaphragme en polyester rompu et le ruban adhésif du canon.

L’onde de choc qui se propageait, réfléchie tout au long du processus de tir du canon, était représentée par un changement de tension par rapport au temps. Un pic positif ou négatif montre la direction de l’onde de choc dans le signal, et la vitesse a été calculée à travers la largeur d’impulsion carrée, produite par la bille coupant le faisceau. Un microprocesseur a été utilisé pour traiter le signal du faisceau traversant l’intérieur du tuyau afin de calculer et d’afficher automatiquement la vitesse de la bille près de la sortie du canon.

Les traces de l’oscilloscope ont démontré le tir à double canal du PPC supersonique. La trace supérieure représente la poutre traversant l’intérieur du canon, près de la sortie. Alors que la trace inférieure correspond à la poutre traversant la trajectoire de la balle de ping-pong après être sortie du canon.

Un signal de coupure indiquait que la balle passait et obstruait chaque faisceau. Le graphique de la différence de pression en fonction du nombre de Mach a révélé que les diaphragmes de 0,001 et 0,002 pouce d’épaisseur se rompent à une différence de pression suffisante pour accélérer la balle de ping-pong à une vitesse supersonique. La vitesse de la bille était constamment supérieure à Mach 1,3 avec un diaphragme de 0,002 pouce d’épaisseur.

Le canon de ping-pong supersonique présenté et le diagnostic optique amélioreront la valeur du canon, à la fois comme dispositif de démonstration et comme appareil pour des expériences de laboratoire de suivi.