OTEKON 2014
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
MAYIN PATLAMA ETKİLERİNİN PERSONEL YARALANMALARI
AÇISINDAN İNCELENMESİ VE DÜŞÜRME TEST STANDI İLE
BENZETİMİ
Ahmet Başdoğan, Hakan Canpolat, Erdal Usta
Otokar Otomotiv ve Savunma Sanayi A.Ş., Sakarya
ÖZET
Soğuk savaşın sona ermesi ile birlikte değişen terör ve savunma konsepti mayına dayanıklı araç geliştirme faaliyetlerini
savunma sanayinin başat ilerleme parametresi haline getirmiştir. Gayri nizami harp unsuru olarak kullanılan terör
örgütlerinin en önemli aracı ise çeşitli özelliklerdeki patlayıcılardır. Buna mukabil patlayıcılar konusunda
gerçekleştirilen her yenilik, zırhlı araçların patlayıcılara karşı mukavemeti noktasında sürekli inovasyonu elzem hale
getirmiştir. Zira patlayıcılara karşı mukavemetin arttırılmasına yönelik çalışmaların aracın ağırlığına, mobilitesine ve
diğer önemli fonksiyonlarına menfi bir etkisinin olmaması da bir başka zorunluluktur. Zırhlı araç geliştiren savunma
sanayii şirketleri bu zorunlulukları sübvanse edebilmek için aktif zırh sistemleri, enerji sönümleyici taban matı ve
koltuk, patlama etkisini asgariye indirecek yardımcı platformlar üzerine çalışmaktadırlar. Bu yeni gereksinimleri
içkinmayına karşı dayanıklı araç geliştirme fenomeni tasarım, analiz ve test gibi üç ana süreçten müteşekkildir. Otokar
Otomotiv ve Savunma Sanayii bünyesinde geliştirilen zırhlı araçların mayına karşı dayanıklılığa dair validasyonları
final tasarım konfigürasyonuna sahip bir gövdenin sahada test edilmesi vasıtasıyla gerçekleştirilmektedir. Bu testler
sırasında 3. nesil hibrit mayın mankeni, yüksek hızlı veri toplama sistemleri, yüksek hızlı kameralar ile veri toplanmakta
ve toplanan bu veri ilgili askeri standartlar ve yaralanma kriterleri perspektifinde incelenmektedir. Bu makalede saha
testlerinin yüksek maliyetli fazla zaman alan bir faaliyet olması nedeniyle bu testlerde personelin maruz kaldığı düşey
eksendeki etkiyi bir düşürme test standı vasıtasıyla simüle etme çalışmaları ve bu çalışmalardan elde edilen sonuçlar yer
almaktadır.
Anahtar Kelimeler:Mayına Dayanıklı Araç Geliştirme,Mayın Testleri, Düşürme Test Standı
ABSTRACT
After the end of cold war, with the effect of the change in terror and defence concept, mine protectant armoured vehicle
development process has become one of the most important advancement parameter in defence industry. One of the
most important instrument used by terrorist organisations is explosive materials. On the other hand the innovation
experienced in the area of explosive materials made the continuous innovation process indispensable for armoured
vehicle development operations. That is to say, the negative effects of protection studies against explosives on vehicle
weight. Mobility etc. have to be subsidized. Defence Industry corporations, which focus on armoured vehicle
development, try to enhance active armour systems, energy absorbing vehicle floor, energy absorbing seat and auxiliary
platforms minimizing mine explosion effect. The phenomena of mine protectant armoured vehicle development
process, which include these new concepts, is composed of design, analysis and test parts. The validation of armoured
vehicles developed by Otokar Automotive and Defence Co. is done through mine blast area tests with the final body
configuration. During these tests 3rd generation hybrid antropomorphic test device(ATD), high speed data acquisition
systems, high speed cameras are used to take data. The development process of armoured vehicles are finalized with the
data analysis according to concerned military standards and injury criterias. In this paper, the simulation studies of
vertical effects of mine blast explosion experienced by an occupant in a armoured vehicle with drop test stand are
presented. These studies are important especially for developing and testing eneryg absorbing seat, floor materials etc.
due to the high level of time and money consumed in area tests.
Keywords:Mine Protectant Vehicle Development, Mine Blast Tests, Drop Test Stand
1
Şekil 2. Mayın Patlamasının Etkilerinin Süre Zarfında
İncelenmesi[2]
1. GİRİŞ: PATLAMA FENOMENİ
Patlama çok kısa sürelerde çok yüksek basınç, çok
yüksek ısı açığa çıkaran genellikle nükleer, kimyasal
veya elektriksel temelli bir enerji dönüşümüdür. Özelde
mayın patlaması ise muhtelif patlayıcıların mebzul
seviyedeki aktivasyonu ile kimyasal enerjinin ısı,
materyal ve şok etkisiyle hava basıncı transferi
meydana getirmesidir. Yer yüzeyinde veya altında
meydana gelebilecek bu tür patlamalar bu satıh
üstündeki yapılarda, araçlarda ve tabii personelde
patlamanın büyüklüğü ile doğru orantılı seviyelerde
hasar veya tahrip meydana getirir. Patlama nedeniyle
meydana gelen başta basınç dalgası olmak üzere tüm
etkiler patlama kaynağından uzaklaştıkça azalır.
Bertram Hopkinson ve Karl Julius Cranz tarafından
geliştirilmiş olan kanuna göre patlayıcı ağırlıkları ile
bu patlayıcıların ilgili uzaklıklardaki oluşturdukları
patlama basıncı etkisi arasındaki ilişki aşağıdaki
gibidir.[1];
2.
MAYINA KARŞI
GELİŞTİRME SÜRECİ
DAYANIKLI
ARAÇ
Otokar Otomotiv ve Savunma San. A.Ş. bünyesinde
takip edilen mayına karşı dayanıklı araç geliştirme
süreci tasarım süreci ile başlamaktadır. Analiz
sürecinden sağlanan geri bildirimlerle nihai hale gelen
tasarıma uygun bir mock-up gövde imal edilmektedir.
Daha sonra bu gövde üzerinde ilgili standartlarda
belirtilen
koruma
seviyelerine
uygun,
yine
standartlarda belirtilen şartlara haiz mayın patlatma
testleri gerçekleştirilmektedir. NATO AEP 55 ve ITOP
4-2-508 standartlarına göre yapılan bu testler sırasında
3. Nesil hibrit mayın mankeni üzerinden data
toplanmakta ve bu toplanan data standartlarda yer alan
yaralanma kriterlerine göre değerlendirilmekte ve
tasarım birimlerine yapılan geri bildirimlerle tasarımın
validasyonu sağlanmaktadır.
R1,R2 : Patlayıcı Kaynağına Uzaklık
W1,W2 : Patlayıcı Ağırlığı
Şekil 1. Hopkinson-Cranz Cube Root Scaling Law
Patlayıcı miktarı ve patlama merkezine mesafeye
ilaveten patlama ve etkilerinin gerçekleştiği süre zarfı
da patlama fenomeninin nev-i şahsına münhasırlığına
bir başka delalettir. Patlamaya maruz kalan bir araç
özelinde düşünüldüğünde şok dalgasının araç
seviyesine ulaşması 0.6 milisaniye, gövde üzerindeki
maksimum lokal deformasyonun görülmesi 3
milisaniye, araç
üzerine
impuls
transferinin
tamamlanması 8 milisaniye, maksimum global gövde
hareketinin görülmesi 114 milisaniye ve son olarak
aracın tekrar yere düşmesi 228 milisaniye içinde
gerçekleşmektedir. Şekil 2’deki grafikte de görüldüğü
üzre patlama basıncının etkisi çok kısa süre içerisinde
araç gövdesine ve personele iletilmektedir.(2) Sürenin
bu denli kısa oluşu hem mayın test metodolojisini hem
de mayına karşı dayanıklı araç geliştirme faaliyetlerini
önemli seviyede etkilemektedir.
Şekil 3. Otokar Mayına Karşı Dayanıklı Araç
Geliştirme Süreci
3. MAYIN TESTLERİ
Otokar tarafından gerçekleştirilen mayın testleri nihai
konfigürasyon olduğu düşünülen bir gövde üzerinde
ilgili standarlar uyarınca, uygun askeri arazilerde
gerçekleştirilmektedir. Bu testler sırasında personelin
maruz kaldığı etkiyi tetkik edebilmek amacıyla 3. nesil
hibrit mayın mankeni ile ivme, kuvvet, deplasman,
moment;
araç bünyesindeki deformasyonu tetkik
edebilmek için ise hızlı veri toplama sistemleri ile
ivme,
gerilim, deplasman ölçümleri kayıt altına
alınmaktadır. Ayrıca aracın patlama etkisine mukabil
davranışlarını ayrıntılı olarak inceleyebilmek amacıyla
yüksek hızlı kameralar ile de kayıt alınmaktadır. Giriş
bölümünde belirtildiği üzre mayın patlama etkisinin
çok kısa sürelerde yayılması nedeniyle mayın mankeni
içerisinde teçhiz edilmiş veri toplama sisteminin ve
2
harici veri toplama sisteminin yüksek hızlarda veri
toplama kabiliyetine sahip olması elzemdir.
4. DÜŞÜRME TEST STANDI
3. bölümde metodolojisi ve gereksinimleri anlatılan
mayın testleri ontolojisi gereği geniş zamanlara ve
yüksek maliyetlere ihtiyaç duyan bir süreçtir. Küresel
rekabetin değişen şartlara karşı hızlı ve ekonomik
cevap vermeyi elzem kıldığı bu dönemde mayına karşı
dayanıklı araç geliştirme süreçlerinde kesintisiz
inovasyonu tesis etmenin yolu da mayın testlerini belli
ölçülerde laboratuar ortamına çekmekten geçmektedir.
Şekil 5 ve Şekil 6’da sunulan yaralanma kriterleri
incelendiğinde personeli ölümcül yaralanmalarla karşı
karşıya getiren patlama etkisinin düşey eksende araca
ve personele yansımasından ibarettir. Uluslararası
literatürde de kendine yer etmiş olan değişik ölçekteki
düşürme test standları patlamanın düşey eksendeki
etkilerini simüle etme görevini ifa etmektedir.
Şekil 4. Mayın Test Kabiliyetleri
3.1 Yaralanma Kriter Değerlendirme Analizi
Mayın testlerinin en önemli ayağını mayın
mankeninden toplanan verinin NATO AEP 55 ve ITOP
4-2-508 standartlarında belirtilmiş olan yaralanma
kriterleri temelinde analiz edilmesi teşkil etmektedir
Vücut Bölgesi Kriter
Alt Bacak
Omurilik
Boyun
Göğüs Kafesi
Alt Bacak
Yüklemesi
Dinamik Cevap
İndeksi(DRI)
Üst Boyun
Bölgesi
Hava Dolu İç
Organlar
Ölçülen Giriş Değeri
Düşey Eksen Max.
Sıkışma Kuvveti(Fz)
Düşey Eksen
Pelvis İvmesi(Az)
Zamana Bağlı Düşey
Eksen Sıkışma Kuvveti Fz(t)
Sıkışma Yönünde
Moment(+Myoc)
Uzama Yönünde
Moment(-Myoc)
Göğüs Duvarı
Sıkışma Hızı (CWVP)
Tolerans Değer
5.4 kN
17.7 DRI
4 kN @ 0 ms
1.1 kN @ 30 ms
190 Nm
57 Nm
3.6 m/s
Şekil 7. MGA Araştırma Laboratuarına Ait Düşürme
Test Standı
Şekil 5. NATO AEP 55 Yaralanma Kriterleri [3]
Geliştirilen düşürme test standı iki temel amaca
matuftur. Bunlardan birincisi Otokar tarafından
gerçekleşetirilmiş
ve
gerçekleştirilecek
mayın
testlerinde personelin maruz kaldığı düşey eksendeki
etkiyi simüle etmektir. Bu benzetim sürecinde
ulaşılmak istenen etki düşürme yüksekliği ve sistemin
tabanında kullanılacak sönümleyici
malzeme
yoğunluğu gibi iki temel parametreye bağımlıdır.
İkinci amaç ise yapılan tekrarlanabilir testler vasıtası
ile personelin düşey eksende maruz kaldığı etki (kuvvet
, ivme) ile düşürme yüksekliği ve sönümleyici
malzeme yoğunluğu arasında bir ilişki tesis etmektir.
Otokar Test Merkezinin imkanları ve ihtiyaçlar
gözönünde bulundurularak tasarlanan ve inşa edilen
düşürme test standı aşağıdaki gibidir;
Şekil 6. ITOP 4-2-508 Yaralanma Kriterleri[4]
3
Şekil 10.Düşürme Test Standında Gerçekleştirilen
Özdeş Testlere ait Lusp_Fz(Omurilik Düşey Eksen
Kuvvet Değeri)
Şekil 8. Otokar Düşürme Test Standı Görünümü
5. DÜŞÜRME TESTLERİ
Düşürme Test standının inşasının bitimiyle birlikte
çeşitli yükseklik ve sönümleyici malzeme yoğunluk
konfigürasyonunda yüze yakın test gerçekleştirilmiştir.
Bu testler sırasında mayın mankeni, yüksek hızlı veri
toplama sistemi ve hızlı kameralar ile ölçüm alınmıştır.
Şekil 11. Düşürme Test Standında Gerçekleştirilen
Özdeş Testlere ait Pelvis_Az(Pelvis Düşey Eksen İvme
Değeri)
Şekil 9. Düşürme testi hızlı kamera kaydı
Şekil 12. Düşürme Test Standında Gerçekleştirilen
Özdeş Testlere ait Zemin İvme Değerleri
5.1 Tekrarlanabilirlik
Bu tür test standlarında korelasyonu temsil eden test
konfigürasyonunda
karşılaştırmalı
testler
gerçekleştirebilmek için tekrarlanabilirlik seviyesinin
yüksek olması elzemdir. Düşürme test standının
tekrarlanabilirlik seviyesi gerçekleştirilmiş olan özdeş
düşürme testleri ile tespit edilmiştir. Bu tespit için hem
mayın mankeninin düşey eksendeki yaralanma
değerleri ile stand zemini üzerine yerleştirilmiş olan
ivmeölçerlerden elde edilen sonuçlar kullanılmıştır.
Hem mayın mankeni yaralanma grafiklerinden hem de
zemin ivmeölçer sonuç grafiğinden de anlaşılabileceği
üzere yüksek seviyede(% 95 üzeri) bir tekrarlanabilirlik
tesis edilmiştir.
5.2 Korelasyon
Daha önce de belirtildiği gibi bir çok konfigürasyonda
test gerçekleştirilerek farklı araçlar için farklı
dönemlerde yapılmış olan yapılmış olan mayın
4
testlerinden elde edilen veriler ile bir korelasyon
sağlama amacı güdülmüştür. Bu testlerden elde edilen
veri havuzu bundan sonra yapılacak mayın testlerinde
elde edilen verilerin de simüle edilebilmesinde
yardımcı olacaktır. Yaralanma kriterleri özelinde
incelendiğinde Otokar mayın testi veri havuzundaki
değerlerin hem şok mertebesi hem de şok süresi
bakımından tamamına yakını elde edilmiştir. Amaç
düşey eksendeki etkilerin korelasyonu olduğu için
yaralanma kriterlerinden omurilik düşey eksen sıkışma
kuvveti(LUSP_Fz),
pelvis
düşey
eksen
ivme(Pelvis_Acz) ve Alt Bacak düşey eksen sıkışma
kuvveti(Tibia_Fz) üzerinde yoğunlaşılmıştır. Aşağıdaki
şekillerde bu korelasyonlara ait birkaç örnek yer
almaktadır.
Şekil 15.Mayın Testi –Düşürme Testi Koreleasyon
Örneği(Arma Aracı)
Şekil 13. Mayın Testi –Düşürme Testi Koreleasyon
Örneği(Kaya Aracı)
Şekil 16. Mayın Testi –Düşürme Testi Koreleasyon
Örneği(Arma Aracı)
Yukarıdaki birkaç örneği görülen mayın testi-düşürme
testi korelasyon grafikleri ile düşürme test standının
mayın testlerini simüle etme amacı hasıl olmuştur. Bu
simülasyona ek olarak herhangi bir mertebedeki bir
patlama etkisinin nasıl bir test konfigürasyonu ile tesis
edileceği de düşürme test standının bir diğer önemli
amacıdır. Bu amacın gereklerinin yerine getirilebilmesi
ilgilenilen patlama etkisi ile düşürme yüksekliği ve
sönümleyici malzeme yoğunluğu arasında bir ilişki
tesis edilmesi elzemdir. Bu minvalde yapılan
tekrarlanabilir testlerde sönümleyici malzeme sabit
tutularak ilgili patlama etkisi ile düşürme yüksekliği
arasındaki ilişki curve fitting metodu ile grafiğe ve
bağıntıya dökülmüştür. Aynı metod bu sefer düşürme
yüksekliği sabit tutularak ilgili patlama etkisi ile
sönümleyici malzeme yoğunluğu arasındaki ilişkinin
bağıntıya dökülmesi için kullanılmıştır.
Bu
bağıntılarda düşey eksendeki etkinin en belirgin şekilde
gözlemlenebileceği Omurilik düşey eksen sıkışma
kuvveti(Lusp_Fz)
ve
Pelvis
düşey
eksen
ivme(Pelvis_Acz) değeri gibi patlama etkileri üzerine
yoğunlaşılmıştır. Aşağıdaki şekillerde bu grafiklere ve
bağıntılara birkaç örnek yer almaktadır.
Şekil 14. Mayın Testi –Düşürme Testi Koreleasyon
Örneği(Kaya Aracı)
5
grafiklerde yer alan denklemler üzerinde daha önce
elde edilmemiş bir değere ulaşmak için ilave testler
yapılmıştır. 40 kg/m³ sönümleyici malzemede düşürme
yüksekliği ile Lusp_Fz arasındaki ilişkiyi gösteren
denklem 3000 N omurilik sıkışma kuvveti oluşturmak
için gerekli olan düşürme yüksekliği perspektifinden
çözülürerek gerekli düşürme yüksekliği bulunmuştur.
Daha sonra bu düşürme yüksekliğinden sağlama testi
yapılmıştır. Bu sağlama testi sonucuna ait grafikler
aşağıdaki gibidir.
Şekil 17. 40 kg/m³ Sönümleyici Malzeme ile Düşürme
Yüksekliği Lusp_Fz İlişkisi
Şekil 18. 40 kg/m³ Sönümleyici Malzeme ile Düşürme
Yüksekliği Pelvis_Acz İlişkisi
Sönümleyici malzeme özelliği sabit tutularak yükseklik
değişkenine göre
ilgili patlama etkisi bağıntısı
bulunduktan sonra düşürme yüksekliği sabit tutularak
sönümleyici malzeme yoğunluğu değişkenine göre
ilgili patlama etkisi bağıntısı bulunabilir. Şekil 14’teki
grafik ise bu bağıntıya örnek olarak değerlendirilebilir.
Şekil 20.Hesaplanan Yükseklikte Lusp_Fz Doğrulama
Test Sonucu
Yapılan sağlama testi sonucunda öngörülene göre %
2’lik bir sapma olmuştur. Bu ölçekte bir test standı için
bu orandaki bir sapma kurulmuş olan bağıntının
doğruluğu hem de test standının tekrarlanabilirliği
açısından müspet bir göstergedir.
5.3 Koltuk Testleri
Tekrarlanabilirliği ve korelasyonu tesis edildikten
sonra düşürme test standında farklı enerji sönümleyici
koltuklar test edilmiştir. Enerji sönümleyici koltuk
geliştirme
konsepti
yeni
olmasına
rağmen
yadsınamayacak seviyede ilgiye mazhar olmuştur.
Daha önce de değinildiği üzre askeri araç geliştiren
firmalar yüksek mayın koruma seviyesine ulaşabilmek
için enerji sönümleyici koltukları araçlarına entegre
etmeye başlamışlardır. Bu da enerji sönümleme
noktasında farklı metotların kullanıldığı araştırma
Şekil 19. Düşürme Yüksekliği Sabit İken Sönümleyici
Malzeme Lusp_Fz İlişkisi
Grafiklerden ve bağıntılardan da anlaşılacağı üzre hem
düşürme yüksekliği hem de sönümleyici malzeme
yoğunluğu ile ulaşılmak istenen patlama etkisi
mertebesi arasında doğru orantı bulunmaktadır. Tesis
edilen bu bağıntıların sağlamasını yapmak amacıyla
6
geliştirme süreçlerini yaygınlaştırmıştır. Patlama
anında açığa çıkan ve önce araca ve koltuğa sonra da
personele yansıyan yüksek seviyedeki kinetik enerjiyi
kanalize etmeyi/azaltmayı temel alan bu araştırma
geliştirme süreçleri neticesinde farklı metotlarla enerji
sönümleyen koltuklar piyasada kendine yer edinmiştir.
Koltuk ve koltuk bağlantısı entegrasyonunda kullanılan
malzemelerin/komponentlerin
deformasyonu,
yırtılması,
kırılması
vb.
fiziksel
değişimleri
neticesindeenerjinin kanalize edilmesi ile sönümleme
sağlayan 3 farklı koltukOtokar Düşürme Test
Standında özdeş testkonfigürasyonunda test edilerek
kıyaslanmıştır. Aşağıda bu testlere ait sonuçlar yer
almaktadır;
Şekil 23. Karşılaştırmalı Koltuk Testleri Sonuçları
(Pelvis_Az)
5.4 Şok Simülasyonu Testleri
Askeri araçlarda mürettebatın yaralanma değerlerinden
sonra bir diğer önemli husus da araç alt sistemlerinin
mayın/balistik şok altında da vazifesini devam
ettirebilmesidir. Özellikle MIL-STD 810 standardının
ilgili içeriği kritik alt sistemlerinbu şok altında test
edilerek valide edilmesini zorunlu kılmaktadır. Otokar
tarafından geliştirilmiş olan Düşürme Test Standı
mayın testlerinin korelasyonunun yanında standartlarda
tanımlanmış
şok
simülasyonunu
da
temin
edebilmektedir.
Aşağıda
bu
amaca
yönelik
gerçekleştirilmiş bir silah sistemi şok testi için elde
edilmiş test profili ve test görüntüleri yer almaktadır;
Şekil 21. Karşılaştırmalı Koltuk Testleri
Şekil 22. Karşılaştırmalı Koltuk Testleri Sonuçları
(Lusp_Fz)
Şekil 24. 20g_11ms Profili (MIL STD 810G) [5]
7
KAYNAKLAR
1. Beshara F.B.A., 2009, “Modelling of External
Explosion Effects on Above Ground
Structures”, Faculty of Engineering of
Shoubra Zapazig Uni. Egypt
2. Zakrisson B., 2013 “Numerical Simulations of
Blast Loaded Steel Plates for Improved
Vehicle Protection” Lulea University of
Technology
3. NATO AEP 55 Ed 1 Vol II, 2006, Procedures
For Evaluating The Protection Level Of
Logistic and Light Armoured Vehicles
Şekil 25. Elde edilen 20g_11ms Profili
4. ITOP 4-2-508, 2005, Vehicle Vulnerability
Tests Using Mines
5. MIL STD 810G, 2008, Environmental
Engineering Conditions and Laboratory Tests
6. MGA Araştırma Laboratuarı
Şekil 26. Şok Simülasyonu Test Görünümü
5. SONUÇ
Geliştirilmiş olan düşürme test standı ile zırhlı araç
mayın geliştirme süreçlerinin önemli bir ayağı olan
mayın testlerinde personelin maruz kaldığı şok başarı
ile simüle edilmiştir. Bu simülasyon sürecinin
verimliliği
öncelikle mayın testleri ile düşürme
testlerinin korelasyonu vasıtasıyla daha sonra düşürme
testlerinin
tekrarlanabilirliği
ile
sınanmıştır.
Korelasyonun tesis edilmesi farklı düşürme yüksekliği
ve
farklı
enerji
sönümleyici
malzemelerin
kombinasyonu ile sağlanırken, bu kombinasyonlar
geniş bir test-korelasyon havuzu oluşturulmasını
sağlamıştır. Bu test havuzu ve elde edilen çıkarımlar
bağıntılar sayesinde hem mayın testlerinde personelin
maruz kalabileceği şoku hem de askeri standartlarda
tariflenmiş olan şok profillerini laboratuar ortamında
sağlama imkanına kavuşulmuştur.
8
Download

mayın patlama etkilerinin personel yaralanmaları açısından