TNO-PML: Levensduur munitie
Levensduur van munitie
Van essentieel belang dat munitie na aanschaf betrouwbaar en veilig blijft functioneren gedurende de levensduur. Regelmatig dan wel steekproefsgewijs de kwaliteit controleren en de restlevensduur voorspellen voorkomt dat onveilige of onbetrouwbare munitie wordt ingezet in operaties. Het kan grote besparingen opleveren, voorkomt dat de munitie plotseling onbruikbaar wordt en zorgt dat deze veelal langer inzetbaar blijft.
In begin jaren zestig worden projectielen afkomstig uit Nieuw-Guinea onderzocht om na te gaan of opslag onder tropische omstandigheden de kanonmunitie zodanig heeft verslechterd dat er gevaar zou kunnen zijn van een voortijdige springer. Ook wordt de kwaliteit van munitie uit de Antillen
onderzocht om na te gaan of tropische opslag deze sterk heeft verslechterd.
In de jaren zestig komt ook het onderzoek aan raketmotoren op gang, echter het onderhoud aan raketmotoren is complexer dan dat van kanonmunitie. In 1963 vindt de eerste controle plaats op de bruikbaarheid van 5 inch HVAR raketten. Vele andere raketten zullen volgen: 2.75 inch FFAR, Nike Hercules, Sidewinder, Patriot, Standard Missile, AMRAAM, Stinger Basic en de verbeterde FMS en de EURO Stinger.
Vooral in de beginperiode worden diverse levensduuronderzoekingen zoals van de 5 inch HVAR, 2.75 inch FFAR en Nike Hercules uitgevoerd. Omdat ieder land met dezelfde problematiek kampt, worden surveillance (onderhoud)programma’s van grote wapensystemen in de loop der jaren steeds meer internationaal georganiseerd.
In 1958 wordt binnen de NATO het NATO Maintenance & Supply Agency (NAMSA, tegenwoordig NSPA (NATO Support & Procurement Agency in Luxemburg)) opgericht, die internationaal onderhoud van allerlei systemen verzorgt, waaronder kapitale missile systemen. Ook de Nederlandse Defensie heeft veel systemen onder contract bij NAMSA. De surveillance komt daarmee in een sterk internationaal kader.
Ook TNO-PML kan zijn expertise internationaal inzetten en gebruiken voor NAMSA opdrachten: een eerste contract over surveillance van de Sidewinder is er in 1973. Eind jaren zeventig tendert het PML voor een zeer groot NAMSA contract waarvoor een nieuwe indoor raketproefstand wordt gebouwd. Het contract wordt echter verloren. Wel volgen NAMSA contracten voor de AMRAAM en de Stinger.
Ook nationaal blijft levensduuronderzoek een belangrijk thema. Voor de val van de Berlijnse muur in 1989 was het voorziene gebruik vooral toegespitst op het klimaat van de Noord-Duitse laagvlakte, waarbij het werkelijke gebruik was beperkt tot oefeningen. Met het opkomen van out-area-operaties van de krijgsmacht moet de munitie plotseling in andere gebieden worden gebruikt en niet alleen op papier. Dit betekent dat niet alleen het daadwerkelijke gebruik zeer sterk toeneemt, maar dat er ook in veel extremere klimaatcondities moet worden geopereerd. Het beperkte aantal vlieguren voor de Sidewinder op papier blijkt dan plotseling een grote beperking, terwijl in werkelijkheid het aantal vlieguren veel groter kan zijn.
In 1994 komt een samenwerking tot stand met de Wehrtechnische Dienststelle 91 (WTD91) in Meppen, Duitsland om gezamenlijk de levensduur te onderzoeken van de warhead van de Patriot. Dit geeft een positieve uitkomst over de levensduur van de Patriot warhead. Ook voor de Koninklijke Marine wordt levensduuronderzoek gedaan aan het Standard Missile 1. Bij een statische test, die onderdeel is van het surveillanceprogramma, ontstaat een probleem: tijdens het afvuren en functioneren wordt door de hitte, het drukverschil en de kruitgassen, de complete aluminium akoestische bescherming over een lengte van 50 meter van de wand van de raketproefstand gerukt. Dit leidt tot een kostbare reparatie, maar daarna wordt alsnog met succes een Standard Missile 1 getest, waarna uiteindelijk toch blijkt dat de levensduur van het missile bereikt is. De Koninklijke Marine besluit daarop om de missiles af te stoten.
Sidewinder kan veel langer vliegen
Voor de val van de Berlijnse muur werden Sidewinders van de Koninklijke Luchtmacht alleen onder vliegtuigvleugels bevestigd bij grote (internationale) oefeningen. Normaal vlogen de gevechtsvliegtuigen met mock-ups om te voorkomen dat de dure missiles onder extreme klimaatbelasting (-60 graden Celsius hoog in de lucht) zouden worden gebruikt, wat het aantal vlieguren beperkte.
Tijdens de latere vredesoperaties moest echt gevlogen worden in operaties met echte missiles onder de gevechtsvliegtuigen. Hierbij bleek het maximale aantal vlieguren van een Sidewinder relatief snel werd bereikt, waarna ze onbruikbaar zouden zijn volgens de leverancier. Na onderzoek door TNO PML bleek dat het aantal vlieguren van de Sidewinder missiles drastisch hoger kon zijn, zodat deze niet zo snel hoefden te worden vervangen. Dit betekende een zeer grote besparing.
Stinger Surveillance
Samen met WTD91 en MBDA worden voor NAMSA diverse omvangrijke Stinger surveillanceprogramma’s uitgevoerd om de kwaliteit van het complete missile te monitoren, zodat het systeem veilig, betrouwbaar en zelfs langer ingezet kan worden. In het surveillanceprogramma worden meerdere missiles uit elkaar gehaald en worden kritische componenten onderzocht en onderworpen aan uitgebreide testprogramma’s. TNO onderzoekt bijvoorbeeld de vlucht- en lanceermotor van het systeem. Zo wordt de stuwstof uit de raketmotor gehaald waarna deze verwerkt wordt tot testsamples die chemisch en mechanisch onderzocht en geanalyseerd worden. Naast componenttesten worden ook statische- en vluchttesten uitgevoerd om het functioneren van het complete systeem te testen. Alle resultaten worden geanalyseerd en besproken met de verschillende partijen. Daarna wordt een advies voor verder operationeel gebruik afgegeven.
Technologieontwikkeling levensduur munitie
Aanvankelijk was het levensduuronderzoeking vooral gebaseerd op bewerkelijke nat-chemische analyses. Monsters van explosieven, zoals kruit, worden apart gehouden onder omstandigheden, die een nabootsing zijn van de werkelijke opslag. De monsters worden dan gecontroleerd op chemische verslechtering en tevens degradatie van mechanische eigenschappen. Dit geeft echter nog geen voorspelling. In de tweede helft van de jaren vijftig komen klimaatkamers in zwang om het verouderingsgedrag te versnellen door het kruit bij hogere temperatuur op te slaan. Met de Arrhenius-vergelijking is het mogelijk om een zekere voorspelling te doen over de levensduur van munitie.
Echter naast temperatuur zijn bij raketmotoren vele andere factoren belangrijk, zoals relatieve vochtigheid en de aanwezigheid van lucht (zuurstof) die de mechanische eigenschappen sterk kunnen beïnvloeden (bijvoorbeeld de toename van brosheid waardoor scheurvorming kan ontstaan bij veroudering, of debonding kan optreden). Tevens is van belang om de eigenschappen ook functioneel te testen. Waar bij kanonkruit een gesloten vat kan worden gebruikt, is het voor raketstuwstof noodzakelijk om een stap verder te gaan en een statische stuwkrachttest uit te voeren. Hierbij wordt de stuwkracht van de raket als functie van de (brand)tijd gemeten.
In de jaren zestig en zeventig wordt veel onderzoek gedaan op genoemde terreinen. Eind jaren zeventig wordt het mogelijk om al deze eigenschappen te vertalen naar een betrouwbaarheidsonderzoek van raketten en dus kan een compleet surveillanceprogramma worden opgesteld van een raketmotor, met statische test onderbouwing. Daar een raketmotor het meest kritische onderdeel is van een raket of missile is het belangrijk om een dergelijk surveillanceprogramma ook nationaal uit te kunnen voeren.
Echter het statisch beproeven van een raketmotor vereist een groot testterrein dat in Rijswijk niet voorhanden was. Er wordt besloten om op de voormalige vliegbasis Ypenburg een indoor raketproefstand te bouwen, die in 1981 in gebruik wordt genomen. In die faciliteit kunnen tot de grootte van een Improved Hawk c.q. Standard Missile raketmotoren worden getest. De raketproefstand geeft een sterke geluidsreductie en elk ongewenst incident bij het afvuren blijft binnen de muren van de proefstand die tevens een bunker is. Het gebruik van de raketproefstand voor statische testen van grote raketmotoren was echter aanmerkelijk minder intensief dan eerder voorzien.
Technisch is het onderzoek nog verder verbeterd omdat er ook rekenprogramma’s zijn ontwikkeld die met behulp van eindige elementenmethodes de mechanische sterkte van zwaar belaste delen van een raketmotor kunnen doorrekenen. Ook niet-destructieve methodes geven meer inzicht, waarbij het missile niet hoeft te worden vernietigd.
Het levensduuronderzoek krijgt eind jaren tachtig, na de val van de Berlijnse muur, een sterke nieuwe impuls. Dit omdat de munitie niet langer veilig opgeslagen blijft in bunkers in Nederland en Duitsland maar wordt meegenomen naar inzetgebieden. De munitie wordt zwaar belast door schokken en trillingen tijdens overslag en transport en vervolgens blootgesteld aan extreme temperaturen. Het wordt nu belangrijk om de opslagcondities van de munitie in de tijd te kunnen volgen om de effecten van onder andere hoge temperatuur te kunnen inschatten.
Door de ontwikkeling van kleine sensoren in de tweede helft van de jaren negentig wordt het mogelijk om allerlei gegevens, zoals relatieve vochtigheid, temperatuur en druk, in munitiekisten of in opslag in dataloggers op te slaan, waarbij dus de werkelijke opslagcondities worden vastgelegd.
Recente ontwikkelingen
Ook zijn de laatste jaren grote stappen gemaakt in de ontwikkeling van micro-elektronica, (embedded) sensoren, datacommunicatie en dataprocessing waardoor de toepasbaarheid van deze technieken voor veel toepassingen in de munitie zelf binnen bereik is gekomen. Zo zijn er zeer kleine embedded sensoren, waarmee in een raketmotor kan worden gemeten op aanwezigheid van zuurstof of op veranderende mechanische eigenschappen. Hierdoor wordt het in de toekomst in principe ook mogelijk om de kwaliteit van individuele componenten en systemen te monitoren. Door gebruik te maken van deze nieuwe technieken in combinatie met specialistische kennis van TNO wordt het mogelijk om de actuele status van een individueel systeem direct beschikbaar te hebben. Het onderhoud kan dan ook efficiënter ingericht worden zodat onderhoudskosten lager kunnen worden.