Materials Research for HiPER Laser Fusion Facilities: Chamber Wall, Structural Material and Final Optics

The European HiPER project aims to demonstrate commercial viability of inertial fusion energy within the following two decades. This goal requires an extensive Research &Development program on materials for different applications (e.g., first wall, structural components and final optics). In this paper we will discuss our activities in the framework of HiPER to develop materials studies for the different areas of interest. The chamber first wall will have to withstand explosions of at least 100 MJ at a repetition rate of 5-10 Hz. If direct drive targets are used, a dry wall chamber operated in vacuum is preferable. In this situation the major threat for the wall stems from ions. For reasonably low chamber radius (5-10 m) new materials based on W and C are being investigated, e.g., engineered surfaces and nanostructured materials. Structural materials will be subject to high fluxes of neutrons leading to deleterious effects, such as, swelling. Low activation advanced steels as well as new nanostructured materials are being investigated. The final optics lenses will not survive the extreme ion irradiation pulses originated in the explosions. Therefore, mitigation strategies are being investigated. In addition, efforts are being carried out in understanding optimized conditions to minimize the loss of optical properties by neutron and gamma irradiation

Estudio de la series sísmicas ocurridas en 2010 en la costa almeriense

En este trabajo se presenta un análisis de las series sísmicas registradas durante los meses de julio y noviembre de 2010 en el sector noreste del mar de Alborán, cerca de Almería. La primera serie consta de, al menos, 180 terremotos registrados entre el 4 de julio y el 15 de Noviembre de 2010, con un terremoto principal de Mw =4.3 ocurrido el 5 de Julio y sentido en Almería con intensidad EMS IV. Esta serie está caracterizada por tener una fuerte alineación con dirección NW, que contrasta con la de los grandes sistemas de fallas de la zona (falla de Carboneras). La segunda serie consta de más de 27 terremotos y se extiende del 2 al 15 de Noviembre, con un sismo principal de magnitud Mw =4.1 ocurrido el día 4 de ese mes. Esta segunda serie se sitúa a unos 35 km al Este de la primera, siendo menos numerosa que ésta pero mucho más próxima a las poblaciones del Poniente Almeriense y alcanzando mayores intensidades (intensidad máxima EMS = V). El objetivo de este estudio es analizar en detalle ambas series sísmicas, examinado la distribución geográfica de los sismos que las componen, su distribución temporal y su posible interrelación con series sísmicas pasadas. Finalmente se tratará de identificar, con los conocimientos de la tectónica de la zona, la posible fuente sísmica generadora, así como analizar posibles efectos de disparo entre eventos por medio de modelizaciones de esfuerzos de Coulomb.

Anticorrelation between Ion Acceleration and Nonlinear Coherent Structures from Laser-Underdense Plasma Interaction

In laser-plasma experiments, we observed that ion acceleration from the Coulomb explosion of the plasma channel bored by the laser, is prevented when multiple plasma instabilities such as filamentation and hosing, and nonlinear coherent structures (vortices/post-solitons) appear in the wake of an ultrashort laser pulse. The tailoring of the longitudinal plasma density ramp allows us to control the onset of these insabilities. We deduced that the laser pulse is depleted into these structures in our conditions, when a plasma at about 10% of the critical density exhibits a gradient on the order of 250 {\mu}m (gaussian fit), thus hindering the acceleration. A promising experimental setup with a long pulse is demonstrated enabling the excitation of an isolated coherent structure for polarimetric measurements and, in further perspectives, parametric studies of ion plasma acceleration efficiency.

Experimental and numerical analysis of reinforced concrete elements subjected to blast loading

El hormigón es uno de los materiales de construcción más empleados en la actualidad debido a sus buenas prestaciones mecánicas, moldeabilidad y economía de obtención, entre otras ventajas. Es bien sabido que tiene una buena resistencia a compresión y una baja resistencia a tracción, por lo que se arma con barras de acero para formar el hormigón armado, material que se ha convertido por méritos propios en la solución constructiva más importante de nuestra época. A pesar de ser un material profusamente utilizado, hay aspectos del comportamiento del hormigón que todavía no son completamente conocidos, como es el caso de su respuesta ante los efectos de una explosión. Este es un campo de especial relevancia, debido a que los eventos, tanto intencionados como accidentales, en los que una estructura se ve sometida a una explosión son, por desgracia, relativamente frecuentes. La solicitación de una estructura ante una explosión se produce por el impacto sobre la misma de la onda de presión generada en la detonación. La aplicación de esta carga sobre la estructura es muy rápida y de muy corta duración. Este tipo de acciones se denominan cargas impulsivas, y pueden ser hasta cuatro órdenes de magnitud más rápidas que las cargas dinámicas impuestas por un terremoto. En consecuencia, no es de extrañar que sus efectos sobre las estructuras y sus materiales sean muy distintos que las que producen las cargas habitualmente consideradas en ingeniería. En la presente tesis doctoral se profundiza en el conocimiento del comportamiento material del hormigón sometido a explosiones. Para ello, es crucial contar con resultados experimentales de estructuras de hormigón sometidas a explosiones. Este tipo de resultados es difícil de encontrar en la literatura científica, ya que estos ensayos han sido tradicionalmente llevados a cabo en el ámbito militar y los resultados obtenidos no son de dominio público. Por otra parte, en las campañas experimentales con explosiones llevadas a cabo por instituciones civiles el elevado coste de acceso a explosivos y a campos de prueba adecuados no permite la realización de ensayos con un elevado número de muestras. Por este motivo, la dispersión experimental no es habitualmente controlada. Sin embargo, en elementos de hormigón armado sometidos a explosiones, la dispersión experimental es muy acusada, en primer lugar, por la propia heterogeneidad del hormigón, y en segundo, por la dificultad inherente a la realización de ensayos con explosiones, por motivos tales como dificultades en las condiciones de contorno, variabilidad del explosivo, o incluso cambios en las condiciones atmosféricas. Para paliar estos inconvenientes, en esta tesis doctoral se ha diseñado un novedoso dispositivo que permite ensayar hasta cuatro losas de hormigón bajo la misma detonación, lo que además de proporcionar un número de muestras estadísticamente representativo, supone un importante ahorro de costes. Con este dispositivo se han ensayado 28 losas de hormigón, tanto armadas como en masa, de dos dosificaciones distintas. Pero además de contar con datos experimentales, también es importante disponer de herramientas de cálculo para el análisis y diseño de estructuras sometidas a explosiones. Aunque existen diversos métodos analíticos, hoy por hoy las técnicas de simulación numérica suponen la alternativa más avanzada y versátil para el cálculo de elementos estructurales sometidos a cargas impulsivas. Sin embargo, para obtener resultados fiables es crucial contar con modelos constitutivos de material que tengan en cuenta los parámetros que gobiernan el comportamiento para el caso de carga en estudio. En este sentido, cabe destacar que la mayoría de los modelos constitutivos desarrollados para el hormigón a altas velocidades de deformación proceden del ámbito balístico, donde dominan las grandes tensiones de compresión en el entorno local de la zona afectada por el impacto. En el caso de los elementos de hormigón sometidos a explosiones, las tensiones de compresión son mucho más moderadas, siendo las tensiones de tracción generalmente las causantes de la rotura del material. En esta tesis doctoral se analiza la validez de algunos de los modelos disponibles, confirmando que los parámetros que gobiernan el fallo de las losas de hormigón armado ante explosiones son la resistencia a tracción y su ablandamiento tras rotura. En base a los resultados anteriores se ha desarrollado un modelo constitutivo para el hormigón ante altas velocidades de deformación, que sólo tiene en cuenta la rotura por tracción. Este modelo parte del de fisura cohesiva embebida con discontinuidad fuerte, desarrollado por Planas y Sancho, que ha demostrado su capacidad en la predicción de la rotura a tracción de elementos de hormigón en masa. El modelo ha sido modificado para su implementación en el programa comercial de integración explícita LS-DYNA, utilizando elementos finitos hexaédricos e incorporando la dependencia de la velocidad de deformación para permitir su utilización en el ámbito dinámico. El modelo es estrictamente local y no requiere de remallado ni conocer previamente la trayectoria de la fisura. Este modelo constitutivo ha sido utilizado para simular dos campañas experimentales, probando la hipótesis de que el fallo de elementos de hormigón ante explosiones está gobernado por el comportamiento a tracción, siendo de especial relevancia el ablandamiento del hormigón. Concrete is nowadays one of the most widely used building materials because of its good mechanical properties, moldability and production economy, among other advantages. As it is known, it has high compressive and low tensile strengths and for this reason it is reinforced with steel bars to form reinforced concrete, a material that has become the most important constructive solution of our time. Despite being such a widely used material, there are some aspects of concrete performance that are not yet fully understood, as it is the case of its response to the effects of an explosion. This is a topic of particular relevance because the events, both intentional and accidental, in which a structure is subjected to an explosion are, unfortunately, relatively common. The loading of a structure due to an explosive event occurs due to the impact of the pressure shock wave generated in the detonation. The application of this load on the structure is very fast and of very short duration. Such actions are called impulsive loads, and can be up to four orders of magnitude faster than the dynamic loads imposed by an earthquake. Consequently, it is not surprising that their effects on structures and materials are very different than those that cause the loads usually considered in engineering. This thesis broadens the knowledge about the material behavior of concrete subjected to explosions. To that end, it is crucial to have experimental results of concrete structures subjected to explosions. These types of results are difficult to find in the scientific literature, as these tests have traditionally been carried out by armies of different countries and the results obtained are classified. Moreover, in experimental campaigns with explosives conducted by civil institutions the high cost of accessing explosives and the lack of proper test fields does not allow for the testing of a large number of samples. For this reason, the experimental scatter is usually not controlled. However, in reinforced concrete elements subjected to explosions the experimental dispersion is very pronounced. First, due to the heterogeneity of concrete, and secondly, because of the difficulty inherent to testing with explosions, for reasons such as difficulties in the boundary conditions, variability of the explosive, or even atmospheric changes. To overcome these drawbacks, in this thesis we have designed a novel device that allows for testing up to four concrete slabs under the same detonation, which apart from providing a statistically representative number of samples, represents a significant saving in costs. A number of 28 slabs were tested using this device. The slabs were both reinforced and plain concrete, and two different concrete mixes were used. Besides having experimental data, it is also important to have computational tools for the analysis and design of structures subjected to explosions. Despite the existence of several analytical methods, numerical simulation techniques nowadays represent the most advanced and versatile alternative for the assessment of structural elements subjected to impulsive loading. However, to obtain reliable results it is crucial to have material constitutive models that take into account the parameters that govern the behavior for the load case under study. In this regard it is noteworthy that most of the developed constitutive models for concrete at high strain rates arise from the ballistic field, dominated by large compressive stresses in the local environment of the area affected by the impact. In the case of concrete elements subjected to an explosion, the compressive stresses are much more moderate, while tensile stresses usually cause material failure. This thesis discusses the validity of some of the available models, confirming that the parameters governing the failure of reinforced concrete slabs subjected to blast are the tensile strength and softening behaviour after failure. Based on these results we have developed a constitutive model for concrete at high strain rates, which only takes into account the ultimate tensile strength. This model is based on the embedded Cohesive Crack Model with Strong Discontinuity Approach developed by Planas and Sancho, which has proved its ability in predicting the tensile fracture of plain concrete elements. The model has been modified for its implementation in the commercial explicit integration program LS-DYNA, using hexahedral finite elements and incorporating the dependence of the strain rate, to allow for its use in dynamic domain. The model is strictly local and does not require remeshing nor prior knowledge of the crack path. This constitutive model has been used to simulate two experimental campaigns, confirming the hypothesis that the failure of concrete elements subjected to explosions is governed by their tensile response, being of particular relevance the softening behavior of concrete.

A molecular dynamics study of swift heavy ion irradiation of amorphous silica: the role of thermal effects

Irradiation with swift heavy ions (SHI), roughly defined as those having atomic masses larger than 15 and energies exceeding 1 MeV/amu, may lead to significant modification of the irradiated material in a nanometric region around the (straight) ion trajectory (latent tracks). In the case of amorphous silica, SHI irradiation originates nano-tracks of higher density than the virgin material (densification). As a result, the refractive index is increased with respect to that of the surroundings. Moreover, track overlapping leads to continuous amorphous layers that present a significant contrast with respect to the pristine substrate. We have recently demonstrated that SHI irradiation produces a large number of point defects, easily detectable by a number of experimental techniques (work presented in the parallel conference ICDIM). The mechanisms of energy transfer from SHI to the target material have their origin in the high electronic excitation induced in the solid. A number of phenomenological approaches have been employed to describe these mechanisms: coulomb explosion, thermal spike, non-radiative exciton decay, bond weakening. However, a detailed microscopic description is missing due to the difficulty of modeling the time evolution of the electronic excitation. In this work we have employed molecular dynamics (MD) calculations to determine whether the irradiation effects are related to the thermal phenomena described by MD (in the ps domain) or to electronic phenomena (sub-ps domain), e.g., exciton localization. We have carried out simulations of up to 100 ps with large boxes (30x30x8 nm3) using a home-modified version of MDCASK that allows us to define a central hot cylinder (ion track) from which heat flows to the surrounding cold bath (unirradiated sample). We observed that once the cylinder has cooled down, the Si and O coordination numbers are 4 and 2, respectively, as in virgin silica. On the other hand, the density of the (cold) cylinder increases with respect to that of silica and, furthermore, the silica network ring size decreases. Both effects are in agreement with the observed densification. In conclusion, purely thermal effects do not explain the generation of point defects upon irradiation, but they do account for the silica densification.

Multi-hazard analysis and identification of priority settlements for land management in Haiti

Seismic hazard study in “La Hispaniola” island in connection with the land tenure situation in the region, in order to define priority areas with a high risk, where some land management recommendations are proposed. The seismic hazard assessment has been carried out following the probabilistic method with a seismogenic zonation and including the major faults of the region as independent units. In order to identify the priority areas, it has taken into account, besides the seismic hazard study, the map of changes of static Coulomb failure stress and the landslide hazard map.

Análisis de niveles de seguridad en túneles y galerías: manual del usuario del programa Aniset (versión 1)

El programa "ANISET" (Análisis de Niveles de Seguridad en Túneles) desarrollado por SINEX, S.A. constituye una herramienta de cálculo orientada a la realización de estudios de Fiabilidad de las estructuras de sostenimiento de túneles y galerías subterráneas. El desarrollo del Nuevo Método Austriaco de construcción de túneles (NATM) ha supuesto un gran avance de tecnificación en un tipo de obras tradicionalmente poco exigentes en lo que al cálculo de refiere. La aplicación de esta nueva metodología ha propiciado un gran desarrollo en la aplicación de métodos numéricos y de nuevos modelos de comportamiento para el estudio del problema de interacción terreno-sostenimiento. Sin embargo, la investigación en torno a procedimientos adecuados para la introducción de la seguridad en los cálculos no ha sido tan intensa, lo que ha creado un estado de cierta confusión entorno a este tema. Con este trabajo, se ha pretendido impulsar un avance en este terreno. Para ello se ha considerado que el mejor método era la aplicación de las técnicas de Fiabilidad Estructural en Nivel U, como de hecho se está realizando en muchos otros terrenos en el ámbito del cálculo estructural. Para realizar el programa, se ha tomado como base el modelo mecánico bidimensional desarrollado por P. Fritz (1984) que básicamente coincide con el aplicado en el programa SOSTENIM. En este modelo el terreno se considera un medio de comportamiento elastoplástico, de acuerdo al criterio de Mohr-Coulomb, sobre el que se realiza una excavación de sección circular. El sostenimiento se ha modelado teniendo en cuenta las aportaciones del hormigón proyectado, del acero de las armaduras y de las cerchas metálicas habitualmente utilizadas. Los Estados Límite considerados en el programa, para los cuales se han desarrollado las correspondientes funciones de fallo, son los siguientes: - Agotamiento de la capacidad resistente del terreno. Caracterizado por un radio de plastificación excesivo del terreno. - Agotamiento de la estructura, producido por la aparición de deformaciones superiores al máximo admisible por los materiales del sostenimiento. - Convergencia excesiva: el desplazamiento radial en el sostenimiento supera un máximo fijado por el proyectista en base a criterios prácticos de utilización, etc. El tratamiento de las incertidumbres para la estimación de los correspondientes índices de fiabilidad y probabilidades de fallo respecto a los 3 estados límite mencionados, responde básicamente al esquema propuesto por E. Rosenblueth (1981). Se espera que el enfoque eminentemente práctico dado al trabajo, y la sencillez de manejo del programa, permitan una fácil y útil aplicación del mismo.

Ion acceleration in underdense plasmas by ultra-short laser pulses

We report on the ion acceleration mechanisms that occur during the interaction of an intense and ultrashort laser pulse ( λ > μ I 2 1018 W cm−2 m2) with an underdense helium plasma produced from an ionized gas jet target. In this unexplored regime, where the laser pulse duration is comparable to the inverse of the electron plasma frequency ωpe, reproducible non-thermal ion bunches have been measured in the radial direction. The two He ion charge states present energy distributions with cutoff energies between 150 and 200 keV, and a striking energy gap around 50 keV appearing consistently for all the shots in a given density range. Fully electromagnetic particle-in-cell simulations explain the experimental behaviors. The acceleration results from a combination of target normal sheath acceleration and Coulomb explosion of a filament formed around the laser pulse propagation axis

Mecánica de medios continuos y teoría de estructuras

En este capítulo se reflexiona sobre la evolución en el siglo XIX de lo que en Italia solían llamar scienza delle construzioni. En dos palabras: se trata de la aplicación de modelos de cálculo basados en la mecánica racional para determinar la seguridad de las construcciones. En este sentido, el XIX ofrece un cambio radical respecto al panorama de siglos anteriores, en los que lo fundamental era la experiencia constructiva y el proceso lento; lento tanto en la formación de técnicos como en la materialización de obras, donde la falta de herramientas de cálculo para prever comportamientos condujo en ocasiones al uso de modelos físicos a escala reducida para demostrar la seguridad de las construcciones o la factibilidad de su proceso edilicio. El capítulo se refiere exclusivamente a modelos abstractos (ni siquiera a los ensayos de laboratorio que pusieron de manifiesto nuevos fenómenos), a pesar de lo cual conviene arrancar con cuatro ejemplos reales, uno por cada cuarto de siglo que pongan de manifiesto los cambios de enfoques producidos en la construcción El primero es una celebrada estructura de madera cuya seguridad fue comprobada mediante ensayos sobre elementos a escala real. Insuperable en la elegancia de su diseño, el segundo, el viaducto de las Cabrillas (1851), fue proyectado y construido en piedra por Lucio del Valle en la cuesta de Contreras. El tercer ejemplo podría ser un puente colgante o «colgado», como se denominaban en la época, de los numerosos que se construyeron en España en la segunda mitad de siglo, pero, por su envergadura y tipología, se ha decidido escoger un caso más tardío: el viaducto del Salado, en la línea de ferrocarril Linares-Almería, proyecto de José Olano (1897) llevado a cabo por la compañía Fives-Lille. El proceso de lanzamiento por empuje hasta entroncar con el túnel del estribo izquierdo fue presenciado en enero de 1899 por un grupo de alumnos de la Escuela de Caminos encabezados por su director, Rogelio Inchaurrandieta, y diferentes profesores, entre los que se encontraban Serafín Freart, encargado de Mecánica Aplicada, y Luis Gaztelu, profesor de Puentes. Con sus pilas de alrededor de 110 m de altura y sus vanos de otro tanto, es un buen ejemplo de lo que] avier Mantero la llama «la gran invención de todo el siglo XIX: la viga en celosía, invención de tanta o mayor trascendencia que la bóveda de piedra para el arco" (Manterola, 2006. Aunque las cerchas de bronce del Panteón de Roma, debidas a Apolodoro de Damasco, o los esquemas de Palladio y las cubiertas de inglesias góticas son precursores de esta tipología (Mainstone, 1975), está laro que sólo en el siglo XIX el cálculo permitió racionalizar los diseños y alcanzar la simplicidad y efectividad que Manterola reconoce como invención. Finalmente, se hace referencia al puente de Golbardo en Santander, uno de los primeros de hormigón armado en España (1900). Este material llegará a su pleno desarrollo en el siglo XX, no sin vencer la desconfianza de sucesivas generaciones. En resumen, a los materiales clásicos, madera y piedra, se añaden en el siglo XIX los hierros y aceros, así como finalmente, el hormigón. Ello motiva una reconsideración de la tipología, de las ideas sobre seguridad estructural, sobre los métodos constructivos y sobre el cálculo que produce la gran eclosión en la representación abstracta del comportamiento de las construcciones, lo cual sólo es posible gracias al progreso de las ciencias. En este capítulo se intentará, en un primer apartado, resumir la experiencia teórica hasta que Coulomb escribe su magistral ensayo. A continuación se tratarán someramente las diferentes líneas de trabajo generadas en países extranjeros y, finalmente, se dará una visión personal de los esfuerzos llevados a cabo en España, que, aún disponiendo de centros docentes perfectamente conectados con lo que sucedía en el extranjero, no fue capaz de generar ninguna aportación original al debate internacional.

Fracture of concrete structural members subjected to blast

If reinforced concrete structures are to be safe under extreme impulsive loadings such as explosions, a broad understanding of the fracture mechanics of concrete under such events is needed. Most buildings and infrastructures which are likely to be subjected to terrorist attacks are borne by a reinforced concrete (RC) structure. Up to some years ago, the traditional method used to study the ability of RC structures to withstand explosions consisted on a choice between handmade calculations, affordable but inaccurate and unreliable, and full scale experimental tests involving explosions, expensive and not available for many civil institutions. In this context, during the last years numerical simulations have arisen as the most effective method to analyze structures under such events. However, for accurate numerical simulations, reliable constitutive models are needed. Assuming that failure of concrete elements subjected to blast is primarily governed by the tensile behavior, a constitutive model has been built that accounts only for failure under tension while it behaves as elastic without failure under compression. Failure under tension is based on the Cohesive Crack Model. Moreover, the constitutive model has been used to simulate the experimental structural response of reinforced concrete slabs subjected to blast. The results of the numerical simulations with the aforementioned constitutive model show its ability of representing accurately the structural response of the RC elements under study. The simplicity of the model, which does not account for failure under compression, as already mentioned, confirms that the ability of reinforced concrete structures to withstand blast loads is primarily governed by tensile strength.

Behaviour of Concrete Structural Members Subjected to Air Blast Loading

Numerical analysis is a suitable tool in the design of complex reinforced concrete structures under extreme impulsive loadings such as impacts or explosions at close range. Such events may be the result of terrorist attacks. Reinforced concrete is commonly used for buildings and infrastructures. For this reason, the ability to accurately run numerical simulations of concrete elements subjected to blast loading is needed. In this context, reliable constitutive models for concrete are of capital importance. In this research numerical simulations using two different constitutive models for concrete (Continuous Surface Cap Model and Brittle Damage Model) have been carried out using LS-DYNA. Two experimental benchmark tests have been taken as reference. The results of the numerical simulations with the aforementioned constitutive models show different abilities to accurately represent the structural response of the reinforced concrete elements studied.

Analysis of tape tether survival in LEO against orbital debris

The low earth orbit (LEO) environment contains a large number of artificial debris, of which a significant portion is due to dead satellites and fragments of satellites resulted from explosions and in-orbit collisions. Deorbiting defunct satellites at the end of their life can be achieved by a successful operation of an Electrodynamic Tether (EDT) system. The effectiveness of an EDT greatly depends on the survivability of the tether, which can become debris itself if cut by debris particles; a tether can be completely cut by debris having some minimal diameter. The objective of this paper is to develop an accurate model using power laws for debris-size ranges, in both ORDEM2000 and MASTER2009 debris flux models, to calculate tape tether survivability. The analytical model, which depends on tape dimensions (width, thickness) and orbital parameters (inclinations, altitudes) is then verified with fully numerical results to compare for different orbit inclinations, altitudes and tape width for both ORDEM2000 and MASTER2009 flux data.

Characterization of spontaneous combustuion tendency of dried sewage sludge

The general purpose of this study was the determination of the safety conditions to avoid the presence of explosive atmospheres in the wastewater industry. Eight Spanish plants located in Madrid, Barcelona and Málaga were considered and several sludge samples were taken in different seasons. The base for the assessment of the spontaneous ignition behaviour of dust accumulations is the experimental determination of the self-ignition temperature under isothermal conditions. Self-ignition temperatures at four volumes were obtained for one sample of sewage sludge, allowing their extrapolation to large storage facilities. A simple test method, based also on an isothermal study of samples, is the UN classification of substances liable to spontaneous combustion. Two different samples were so tested, obtaining unlike results if transported in packages of different volumes. By means of thermogravimetric techniques it is possible to analyse the thermal susceptibility of dried sewage sludge. Apparent activation energy can be obtained from the rate of weight loss. It is also applied to the study of self-ignition susceptibility by modifying test conditions when oxygen stream is introduced. As a consequence of this oxidant contribution, sample behaviour can be very different during testing and a step drop or sudden loss of weight is observed at a characteristic temperature for every substance, associated to a rapid combustion. Plotting both the activation energy and the characteristic temperature, a map of self-ignition risk was obtained for 10 samples, showing different risk levels for samples taken in different locations and at different seasons. A prediction of the self-ignition risk level can be also determined.

Bare-tape scaling laws for de-orbit missions in a space debris environment

El entorno espacial actual hay un gran numero de micro-meteoritos y basura espacial generada por el hombre, lo cual plantea un riesgo para la seguridad de las operaciones en el espacio. La situación se agrava continuamente a causa de las colisiones de basura espacial en órbita, y los nuevos lanzamientos de satélites. Una parte significativa de esta basura son satélites muertos, y fragmentos de satélites resultantes de explosiones y colisiones de objetos en órbita. La mitigación de este problema se ha convertido en un tema de preocupación prioritario para todas las instituciones que participan en operaciones espaciales. Entre las soluciones existentes, las amarras electrodinámicas (EDT) proporcionan un eficiente dispositivo para el rápido de-orbitado de los satélites en órbita terrestre baja (LEO), al final de su vida útil. El campo de investigación de las amarras electrodinámicas (EDT) ha sido muy fructífero desde los años 70. Gracias a estudios teóricos, y a misiones para la demostración del funcionamiento de las amarras en órbita, esta tecnología se ha desarrollado muy rápidamente en las últimas décadas. Durante este período de investigación, se han identificado y superado múltiples problemas técnicos de diversa índole. Gran parte del funcionamiento básico del sistema EDT depende de su capacidad de supervivencia ante los micro-meteoritos y la basura espacial. Una amarra puede ser cortada completamente por una partícula cuando ésta tiene un diámetro mínimo. En caso de corte debido al impacto de partículas, una amarra en sí misma, podría ser un riesgo para otros satélites en funcionamiento. Por desgracia, tras varias demostraciones en órbita, no se ha podido concluir que este problema sea importante para el funcionamiento del sistema. En esta tesis, se presenta un análisis teórico de la capacidad de supervivencia de las amarras en el espacio. Este estudio demuestra las ventajas de las amarras de sección rectangular (cinta), en cuanto a la probabilidad de supervivencia durante la misión, frente a las amarras convencionales (cables de sección circular). Debido a su particular geometría (longitud mucho mayor que la sección transversal), una amarra puede tener un riesgo relativamente alto de ser cortado por un único impacto con una partícula de pequeñas dimensiones. Un cálculo analítico de la tasa de impactos fatales para una amarra cilindrica y de tipo cinta de igual longitud y masa, considerando el flujo de partículas de basura espacial del modelo ORDEM2000 de la NASA, muestra mayor probabilidad de supervivencia para las cintas. Dicho análisis ha sido comparado con un cálculo numérico empleando los modelos de flujo el ORDEM2000 y el MASTER2005 de ESA. Además se muestra que, para igual tiempo en órbita, una cinta tiene una probabilidad de supervivencia un orden y medio de magnitud mayor que una amarra cilindrica con igual masa y longitud. Por otra parte, de-orbitar una cinta desde una cierta altitud, es mucho más rápido, debido a su mayor perímetro que le permite capturar más corriente. Este es un factor adicional que incrementa la probabilidad de supervivencia de la cinta, al estar menos tiempo expuesta a los posibles impactos de basura espacial. Por este motivo, se puede afirmar finalmente y en sentido práctico, que la capacidad de supervivencia de la cinta es bastante alta, en comparación con la de la amarra cilindrica. El segundo objetivo de este trabajo, consiste en la elaboración de un modelo analítico, mejorando la aproximación del flujo de ORDEM2000 y MASTER2009, que permite calcular con precisión, la tasa de impacto fatal al año para una cinta en un rango de altitudes e inclinaciones, en lugar de unas condiciones particulares. Se obtiene el numero de corte por un cierto tiempo en función de la geometría de la cinta y propiedades de la órbita. Para las mismas condiciones, el modelo analítico, se compara con los resultados obtenidos del análisis numérico. Este modelo escalable ha sido esencial para la optimización del diseño de la amarra para las misiones de de-orbitado de los satélites, variando la masa del satélite y la altitud inicial de la órbita. El modelo de supervivencia se ha utilizado para construir una función objetivo con el fin de optimizar el diseño de amarras. La función objectivo es el producto del cociente entre la masa de la amarra y la del satélite y el numero de corte por un cierto tiempo. Combinando el modelo de supervivencia con una ecuación dinámica de la amarra donde aparece la fuerza de Lorentz, se elimina el tiempo y se escribe la función objetivo como función de la geometría de la cinta y las propietades de la órbita. Este modelo de optimización, condujo al desarrollo de un software, que esta en proceso de registro por parte de la UPM. La etapa final de este estudio, consiste en la estimación del número de impactos fatales, en una cinta, utilizando por primera vez una ecuación de límite balístico experimental. Esta ecuación ha sido desarollada para cintas, y permite representar los efectos tanto de la velocidad de impacto como el ángulo de impacto. Los resultados obtenidos demuestran que la cinta es altamente resistente a los impactos de basura espacial, y para una cinta con una sección transversal definida, el número de impactos críticos debidos a partículas no rastreables es significativamente menor. ABSTRACT The current space environment, consisting of man-made debris and tiny meteoroids, poses a risk to safe operations in space, and the situation is continuously deteriorating due to in-orbit debris collisions and to new satellite launches. Among these debris a significant portion is due to dead satellites and fragments of satellites resulted from explosions and in-orbit collisions. Mitigation of space debris has become an issue of first concern for all the institutions involved in space operations. Bare electrodynamic tethers (EDT) can provide an efficient mechanism for rapid de-orbiting of defunct satellites from low Earth orbit (LEO) at end of life. The research on EDT has been a fruitful field since the 70’s. Thanks to both theoretical studies and in orbit demonstration missions, this technology has been developed very fast in the following decades. During this period, several technical issues were identified and overcome. The core functionality of EDT system greatly depends on their survivability to the micrometeoroids and orbital debris, and a tether can become itself a kind of debris for other operating satellites in case of cutoff due to particle impact; however, this very issue is still inconclusive and conflicting after having a number of space demonstrations. A tether can be completely cut by debris having some minimal diameter. This thesis presents a theoretical analysis of the survivability of tethers in space. The study demonstrates the advantages of tape tethers over conventional round wires particularly on the survivability during the mission. Because of its particular geometry (length very much larger than cross-sectional dimensions), a tether may have a relatively high risk of being severed by the single impact of small debris. As a first approach to the problem, survival probability has been compared for a round and a tape tether of equal mass and length. The rates of fatal impact of orbital debris on round and tape tether, evaluated with an analytical approximation to debris flux modeled by NASA’s ORDEM2000, shows much higher survival probability for tapes. A comparative numerical analysis using debris flux model ORDEM2000 and ESA’s MASTER2005 shows good agreement with the analytical result. It also shows that, for a given time in orbit, a tape has a probability of survival of about one and a half orders of magnitude higher than a round tether of equal mass and length. Because de-orbiting from a given altitude is much faster for the tape due to its larger perimeter, its probability of survival in a practical sense is quite high. As the next step, an analytical model derived in this work allows to calculate accurately the fatal impact rate per year for a tape tether. The model uses power laws for debris-size ranges, in both ORDEM2000 and MASTER2009 debris flux models, to calculate tape tether survivability at different LEO altitudes. The analytical model, which depends on tape dimensions (width, thickness) and orbital parameters (inclinations, altitudes) is then compared with fully numerical results for different orbit inclinations, altitudes and tape width for both ORDEM2000 and MASTER2009 flux data. This scalable model not only estimates the fatal impact count but has proved essential in optimizing tether design for satellite de-orbit missions varying satellite mass and initial orbital altitude and inclination. Within the frame of this dissertation, a simple analysis has been finally presented, showing the scalable property of tape tether, thanks to the survivability model developed, that allows analyze and compare de-orbit performance for a large range of satellite mass and orbit properties. The work explicitly shows the product of tether-to-satellite mass-ratio and fatal impact count as a function of tether geometry and orbital parameters. Combining the tether dynamic equation involving Lorentz drag with space debris impact survivability model, eliminates time from the expression. Hence the product, is independent of tether de-orbit history and just depends on mission constraints and tether length, width and thickness. This optimization model finally led to the development of a friendly software tool named BETsMA, currently in process of registration by UPM. For the final step, an estimation of fatal impact rate on a tape tether has been done, using for the first time an experimental ballistic limit equation that was derived for tapes and accounts for the effects of both the impact velocity and impact angle. It is shown that tape tethers are highly resistant to space debris impacts and considering a tape tether with a defined cross section, the number of critical events due to impact with non-trackable debris is always significantly low.

Modelización de ensayos de corte directo de escollera en cajón de 1x1 m2

En el presente proyecto se redacta un estudio sobre la resistencia al corte de escolleras en cajón de 1x1m2.Con este estudio se intentará valores aproximados al ángulo de rozamiento. Estos parámetros se distinguirán en función si las escolleras son directamente vertidas o si han sufrido una previa compactación. Para ello se han realizado una serie de ensayos, con materias traído de varias zonas de España al Laboratorio de Geotecnia de CEDEX. Los datos obtenidos se han interpretado de varias formas. Primero se ha analizado las curvas resultantes de la tensión tangencial en función del desplazamiento. Después se ha aplicado un análisis de la relación entre el ángulo de rozamiento y la tensión normal. Por otra parte se han utilizado dos modelos, uno de hiperbólico y otro modelo rotura. Dentro del modelo de rotura se han tomado dos criterios. Un primer criterio según el criterio de rotura de Morh-Coulomb y un segundo criterio no lineal sino parabólico. Con los resultados obtenidos de las interpretaciones, se ha realizado una comparativa. Por una parte se han comparada con los datos que dieron otros autores y por otra parte con los resultados obtenidos en los ensayos de corte directo en caja de 30x30 cm2. Las conclusiones obtenidas, un valor del ángulo de rozamiento sería de 42° para escolleras que no han sido compactadas y de 47° para escolleras que hayan sido compactadas.