샌디아 국립 연구소의 독특한 다상 충격파관(multiphase shock tube)이 그 작동을 시작했다. 이 연구를 이끈 Justin Wagner는 이것이 충격파와 조밀한 입자 필드가 어떻게 상호 작용하는지를 보여주는 최초의 충격파관이라고 설명했다. 이것은 가스와 고체 입자의 혼합을 통해서 충격파 전파를 연구할 수 있기 때문에 다상적 도구로 간주된다.

폭발 없이 충격파를 생성하는 장비인 충격파관은 지난 수십 년간 사용됐지만, 샌디아 연구진의 것은 조밀하게 모인 입자가 폭발하는 동안 어떻게 분산하는지를 연구할 수 있다는 점에서 매우 독특하다고 할 수 있다. 첫 수십 마이크로초의 폭발 동안에 일어나는 물리적 현상을 잘 이해하는 것은 폭발에 관한 컴퓨터 모델을 만드는 데 매우 중요하다. “이를 정확히 이해하지 못하면, 다른 폭발물의 속성을 예측하는 것도 힘들다”고 Wagner가 말했다. 폭발 초기에 입자들이 어떻게 이동하고 상호 작용하는지를 이해함으로써, 샌디아 연구진은 폭발 요인이라든가, 무기나 구조, 그리고 개인의 취약성을 평가하는 것과 같은 국가적 안보 문제에 신속히 반응할 수 있다.

샌디아 우주과학 부서의 Steve Beresh와 열 및 유체 실험 과학부서의 Sean Kearney는 이전 연구진의 모델에서 빠뜨린 일부 물리학적 현상에 관해 연구하기 시작했다. “우리는 이것을 할 수 있다는 자신감이 생겼다”고 Beresh가 말했다. 그들은 빽빽한 가스-고체 흐름에서 입자의 분산을 연구할 수 있는 다상 충격파관을 생각해 냈다. 이 장비는 2010년 4월 처음으로 사용되었다. 실험 및 진단이 상당히 복잡해서, 연구진은 여전히 컴퓨터 소프트웨와 함께 할 데이터를 샌디아 연구소와 다른 곳에서 수집하고 있다. “우리가 이전에 알지 못했던 것들을 분명히 알아낼 수 있을 것이다. 그리고 그것들은 이 소프트웨어에 매우 중요하다”고 Beresh가 말했다.

약 22피트 길이로 스테인리스 스틸과 알루미늄으로 만들어진 이 충격파관은 관을 격막으로 구분하여 한쪽에는 충격파를 만드는 고압과 다른 한쪽에는 저압으로 된 구동측으로 되어있다. 압력이 원통형 구동 측에 축적되고, 압력이 매우 높아지면, 격막이 순간적으로 파괴된다. 격막이 파괴되기 전에, 저압력쪽의 용기에 축적한 구형 입자들은 충격파관으로 이동하고, 충격파에 의해 부딪혀서 조밀한 입자 막을 만든다. 샌디아 국립 연구소의 연구 및 개발 프로그램의 지원을 받은 이 프로젝트는 Wagner를 고용하여, 장비의 설계와 구축을 감독하게 하였다. “Justin이 처음 이 일을 시작했을 때, 아무것도 마련된 것이 없었다. 현재 우리는 전 세계 어떠한 충격파관과 다른 독특한 우리만의 장비가 있다”고 Beresh가 말했다.

폭발 입자는 굉장히 빽빽하게 채워져 있다. 폭발 과정이 진행되면, 그것들은 분산하여, 재빨리 너른 간격이 된다. 그러나 폭발 초기의 밀집한 입자의 물리는 매우 중요하다. 그것들은 아직 완전히 이해되지 않았고, 따라서 현재 적용할 수 있는 모델도 한정되어 있다고 Wagner와 Beresh가 말했다. “충격파관의 중요한 점은 그것이 평면 충격파를 생성한다는 것이다. 우리는 폭발 과정에 연관된 물리를 이해하기 위하여, 조밀한 입자 필드와 충격파의 상호 작용을 연구한다”고 Wagner가 말했다.

샌디아의 장비는 가스나 입자의 속성을 측정하고, 추가적인 레이저 기반의 진단을 위하여, 초고속 압력 측정이나 초고속 영상, 그리고 플래시 X-선을 진단 도구로 사용한다. “우리는 X-선 진단이나 레이저 기반의 진단, 그리고 온도나 압력 측정을 통해서 다양한 결과를 얻을 수 있다. 또한, 이 모든 것들을 결합하여, 그 짧은 순간에 일어나는 물리를 좀 더 잘 이해할 수 있는 통찰력을 가질 수 있다”고 Beresh 가 말했다. 이 장비의 고유한 진단 기능은 샌디아의 능력을 보여준다. 연구진은 특히 실험 장비/비 파괴적인 평가 및 모델 검증 조직인 Jerry Stoker와 Enrico Quintana의 요구로 X-선 전문가를 선발했다. 지열 연구원인 Elton Wright 역시 이 연구에 상당한 이바지를 했다.

진단에 필요한 유용한 정보를 이 장비로부터 얻는 것은 어렵고 비용이 많이 드는 일이다. 그래서 과거에는 이 같은 일을 하지 못했다고 Wagner가 말했다. 폭발 실험으로 많은 자료를 얻었지만, 그것들이 각 폭발의 어는 부분에서 발생하는지를 분리하는 일은 매우 어렵다. “이런 종류의 실험을 할 때, 당신은 그 안에서 무슨 일이 일어나고 있는지를 깊이 탐구해야 한다. 그러나 그것은 한 부분이고, 각각은 모두 중요하다”고 그는 말했다.