鋁球超高速撞擊鋁板反濺碎片云團輻射特性研究

馬兆俠, 黃 潔, 石安華, 蘇 鐵, 柳 森

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

超高速碰撞粒子云團輻射是超高速碰撞過程中的重要物理現(xiàn)象，通過對超高速碰撞粒子云團輻射特征的分析研究，可以獲取撞擊事件劇烈程度、撞擊材料、撞擊參數(shù)等重要信息。超高速碰撞粒子云團輻射特性研究在天體物理、空間碎片防護以及空間碎片撞擊事件感知等研究方面均具有重要的應(yīng)用價值。

對于超高速碰撞粒子云團輻射研究，國外已經(jīng)開展了幾十年的相關(guān)研究。1976年，Eichorn使用靜電加速器開展了超高速撞擊試驗研究，通過研究獲得了撞擊閃光的輻射強度和彈丸的速度與質(zhì)量的關(guān)系[1]。Sugita開展了銅球撞擊白云巖的輻射研究，他將所測量可見光波段的光譜輻射功率進行積分，發(fā)現(xiàn)積分功率和撞擊速度呈指數(shù)關(guān)系[2]。Lawrence[3]和Rheinhart[4]研究了不同材料超高速撞擊的等離子體輻射、觀察了撞擊過程中的連續(xù)輻射、線狀輻射和譜線吸收現(xiàn)象。Djameel Ramjaun等人利用特征光譜法研究了聚乙烯碰撞鋁板產(chǎn)生的CN紫外光譜，采用理論計算CN光譜和測量光譜比對法得出試驗條件下的碰撞火球溫度在7730K左右[5]。Tsemblis使用靜電加速器開展了鐵撞擊鈉鈣玻璃的輻射研究，將輻射光譜與黑體輻射進行了對比，發(fā)現(xiàn)撞擊等離子體的平均溫度和撞擊速度有關(guān)[6]。2012年，Dominic Heunoske[7]研究了鋁球撞擊太陽能電池的等離子體輻射情況，研究發(fā)現(xiàn)，在撞擊開始至1.5μs階段，撞擊等離子體是光學(xué)厚等離子體，出現(xiàn)譜線自吸現(xiàn)象，2μs后，等離子體膨脹成光學(xué)薄等離子體，自吸譜線消失，特征譜線出現(xiàn)；撞擊開始至3μs內(nèi)，電子溫度從45000K迅速降至2000K，電子密度從1019cm-3降至1017cm-3。

國內(nèi)唐恩凌，張慶明[8-11]等人使用光輻射計、電子探針等手段初步開展了碰撞角度、碰撞速度對碰撞產(chǎn)生的等離子體的溫度、輻射強度影響，同時也初步開展了等離子體電子溫度的診斷研究。石安華等人[11-14]開展了鋁球撞擊鋁板的光譜和光輻射強度的測量技術(shù)研究和鋁球撞擊鋁板的光譜、光輻射強度、火球溫度初步試驗研究。

本研究開展鋁球超高速碰撞鋁板形成的反濺粒子云團溫度、輻射能量以及氣化基態(tài)粒子數(shù)與撞擊動能之間的關(guān)系，為開展超高速碰撞云團溫度規(guī)律、原子離化率以及超高速碰撞參數(shù)反演等研究提供技術(shù)支持。

1 試驗方案

1.1試驗系統(tǒng)

試驗在中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速所超高速碰撞靶上進行。超高速碰撞靶由靶室、發(fā)射系統(tǒng)、激光測速儀、光譜儀組成(見圖1(a))。發(fā)射系統(tǒng)將彈丸加速至預(yù)設(shè)速度，彈丸通過測速區(qū)激發(fā)測速儀，AB兩站測速儀測出彈丸當?shù)厮俣?，并依此估算出彈丸達到靶板時刻，輸出至光譜儀一個延時觸發(fā)信號；BC兩站測速儀再次測出彈丸當?shù)厮俣?，根?jù)兩個當?shù)厮俣龋嬎愠鏊俣认陆抵挡⒂嬎銖椡柽_到靶板速度，即為撞擊速度。光譜儀接收到觸發(fā)信號后開始曝光，達到設(shè)定曝光時長后快門關(guān)閉，并將測量數(shù)據(jù)上傳至測控主機，設(shè)備布置示意圖如圖1(a)所示。

(a) 試驗設(shè)備布置

(b) 輻射測量區(qū)域

對于大部分空間碎片撞擊航天器的情況，可以被觀察到的輻射主要為反濺碎片云所發(fā)生的輻射，因此本研究將測量對象確定為反濺碎片云，試驗所使用光譜儀為BRUKER公司生產(chǎn) 500IS/SM型光譜測量系統(tǒng)，對于0.5m遠的反濺碎片云其曝光區(qū)域約為5cm(圖1(b))。

1.2試驗參數(shù)

靶板和彈丸：1A30純鋁，其中靶板厚0.2cm，彈丸直徑d為0.2～0.5cm；靶室內(nèi)空氣壓力為100Pa；碰撞速度V為3～6km/s；正撞擊。測量波段為250～340nm，波長分辨率為0.1nm；該波段包含8條共振譜線和1條Al+譜線。

設(shè)撞擊時刻為0時刻，為確保采集到撞擊輻射光譜，光譜儀曝光時間設(shè)為100μs，曝光起始時刻為-50μs。

2 結(jié)果與分析

2.1特征譜線的識別

試驗測得的典型輻射特征譜如圖2所示。在0.1nm的波長分辨率下，特征譜線共6條，分別為256.79、257.51、265.28、266.06、308.21和309.27nm，查詢NIST原子光譜數(shù)據(jù)庫[15],上述譜線均為鋁原子譜線，無鋁離子和其它元素譜線。

圖2 典型輻射特征譜

根據(jù)查詢結(jié)果可知，309.27nm附近存在兩條譜線，分別為309.27nm和309.28nm，由于設(shè)備分辨率的關(guān)系，兩條譜線沒有被分辨開，所以測量強度為兩譜線強度之和。由于兩譜線均為同一激發(fā)態(tài)3s23d躍遷至基態(tài)3s23p所發(fā)射譜線，具有相對確定的強度比，約為9.0∶1，可以據(jù)此關(guān)系解耦。

同樣，257.51nm附近也有兩條譜線，分別為257.51nm和257.54nm，兩者同為3s24d躍遷至基態(tài)3s23p所發(fā)射譜線，兩者強度比也為9.0∶1，可據(jù)此關(guān)系解耦。各特征譜線光譜常數(shù)見表1。

2.2粒子云團溫度特性

2.2.1測溫原理

根據(jù)原子分子輻射原理[16]，假設(shè)粒子云團處于局域平衡態(tài)，激發(fā)態(tài)原子遵循Boltzmann分布，則粒子立體角內(nèi)自發(fā)躍遷輻射功率可由下式?jīng)Q定：

表1 Al原子共振線光譜數(shù)據(jù)

(1)

式中：N0為基態(tài)原子數(shù)；h為普朗克常數(shù)，6.626176×10-34J·s；c為光速，2.99792458×108m/s，λi為波長，10-9m；gi為能級簡并度；Ai為自發(fā)躍遷幾率，s-1；Z為配分函數(shù)；Ei為激發(fā)能級，cm-1；k為玻爾茲曼常數(shù)，0.695030cm-1·K-1；T為溫度，K。對(1)式取對數(shù)，可改寫為：

(2)

利用元素的多條譜線，通過手冊查找或計算獲得它們的激發(fā)能級Ei，簡并度gi，自發(fā)躍遷幾率Ai值，測量各譜線的強度Ii，然后以Ei為橫坐標，ln(Iiλi/giAi)為縱坐標作圖，通過各點所得直線的斜率為-1/kT，由此計算得到溫度T。圖3為典型的試驗結(jié)果，從圖中可看出，各數(shù)據(jù)點基本散落在某一直線附近，說明這種測溫方法是可行的。

(a) d=0.3cm，V=5.8km/s

(b) d=0.4cm，V=5.0km/s

2.2.2粒子云團溫度特性

使用上述方法進行溫度測量，獲得不同撞擊條件下粒子云團的溫度，溫度與撞擊參數(shù)之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 粒子云團溫度與撞擊參數(shù)之間的關(guān)系曲線

從圖4可以看出，在相同撞擊速度條件下，撞擊彈丸直徑越大，溫度越高；在彈丸直徑不變的情況下，隨著撞擊速度的增加，粒子云團溫度隨之增加。根據(jù)數(shù)據(jù)進行擬合，獲得粒子云團溫度與撞擊參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系為式(3)。

T(d,V)=1924.19d0.18V0.70

(3)

式中：d為彈丸直徑；V為撞擊速度。

2.3粒子云團輻射特性

以試驗所測的最強輻射強度(d=5.0mm，V=5.0km/s，309.27nm處)的1/10000為一個相對輻射強度單位。對每次試驗獲得的每個光譜峰值進行積分，獲得不同撞擊條件下每個峰值的積分強度，積分寬度取1nm。圖5為峰值積分強度與撞擊能量之間的關(guān)系，從圖中可看出，峰值積分強度隨撞擊能量的增加而增加，基本呈線性關(guān)系。可用式(4)表示：

(4)

圖5 峰值積分強度與撞擊動能關(guān)系

圖6 波段積分強度與撞擊動能之間的關(guān)系曲線

2.4粒子云團氣化與撞擊參數(shù)之間的規(guī)律

因為試驗中所測光譜強度未進行絕對強度標定，測量強度和真實強度相差一因子ζ。聯(lián)合公式(1)，(3)和(4)，可得：

(5)

假設(shè)配分函數(shù)Z隨溫度變化不敏感，為常數(shù)，根據(jù)(5)式和309.27nm譜線常數(shù)，計算N0的相對值與撞擊參數(shù)關(guān)系如圖7所示。

圖7 N0與撞擊參數(shù)之間的關(guān)系曲線

根據(jù)圖7曲線變化形式，N0與撞擊參數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系可簡化為(6)式。

N0=kexp(7.12d0.83+1.67(V-3.00)0.70)

(6)

基態(tài)原子數(shù)N0代表撞擊產(chǎn)物汽化粒子數(shù)，和汽化質(zhì)量成正比，則(6)式也表達了撞擊產(chǎn)物汽化率與撞擊參數(shù)之間的關(guān)系規(guī)律。式中k為常數(shù)因子，可以通過少量實驗測得。

3 結(jié) 論

本文開展了鋁球撞擊鋁板的超高速撞擊輻射特性研究，獲得結(jié)論如下：

(1) 粒子云團溫度與撞擊參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系式為T(d,V)=1924.19d0.18V0.70；

(2) 峰值積分強度及250～340nm波段積分強度和撞擊動能呈線性關(guān)系；

(3) 獲得相對基態(tài)原子數(shù)與撞擊參數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系。

參考文獻:

[1]Eichhorn G. Analysis of the hypervelocity impact process from impact flash measurements[J]. Planetary and Space Science, 1976, 24(8): 771-781.

[2]Sugita S, Schultz P H, Hasegawa S. Intensities of atomic lines and molecular bands observed in impact-induced luminescence[J]. Journal of Geophysical Research, 2003, 108(E12): 1401-1417.

[3]Lawrence R J, Chhabildas L C, Reinhart W D. Impact flash spectroscopy at impact velocities approaching 20km/s[C]//57th Aeroballistics Range Association, 2006.

[4]Reinhart W D, Chhabildas L C, Thornhill T F. Spectral measurements of hypervelocity impact flash[J]. International Journal of Impact Engineering, 2006, 33(1-12): 663-674.

[5]Djameel Ramjaun, Masakazu Shinohara, Ichiro Kato. Spectroscopic study of radiation associated with hypervelocity impacts[C]//Proceedings of the 23rd International Symposium on Shock Waves, 2001.

[6]Tsemblis K, Burchell M J, Cole M J, et al. Residual temperature measurements of light flash under hypervelocity impact[J]. International Journal of Impact Engineering, 2008, 35(11): 1368-1373.

[7]Dominic Heunoske, Martin Schimmerohn, Jens Osterholz. Time-resolved emission spectroscopy of impact plasma[C]//The 12th Hypervelocity Impact Symposium, MD, 2012.

[8]唐恩凌, 張慶明, 黃正平. 超高速碰撞產(chǎn)生等離子體的電子溫度診斷[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報, 2007, 27(5): 381-384.

Tang Enling, Zhang Qingming, Huang Zhengping. Electron tem-perature diagnosis of plasmas generated during hypervelocity impact[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2007, 27(5): 381-384.

[9]唐恩凌, 張慶明, 張健. 鋁-鋁超高速碰撞閃光現(xiàn)象的初步實驗測量[J]. 航空學(xué)報, 2009, 30(10): 1895-1900.

Tang Enling, Zhang Qingming, Zhang Jian. Preliminary experimental measurement of light flash phenomena produced in Al-Al hypervelocity impacts[J]. Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica, 2009, 30(10): 1895-1900.

[10] 唐恩凌. 超高速碰撞閃光強度與碰撞速度關(guān)系初步研究[J]. 宇

航學(xué)報, 2009, 30(2): 811-814.

Tang Enling. A preliminary study on impact flash intensity and impact velocity during hypervelocity impact[J]. Journal of Astronautics, 2009, 30(2): 811-814.

[11] 石安華, 柳森, 黃潔, 等. 鋁彈丸超高速撞擊鋁靶光譜輻射特性實驗研究[J]. 宇航學(xué)報, 2008, 39(2): 715-717.

Shi Anhua, Liu Sen, Huang Jie, et al. Spectra measurement of radiation produced by aluminum projectiles impacting aluminum targets at hypervelocity speeds[J]. Journal of Astronautics. 2008, 39(2): 715-717.

[12] 石安華, 柳森, 黃潔, 等. 超高速碰撞可見光譜輻射強度測量技術(shù)[J]. 實驗流體力學(xué), 2007, 21(4): 83-85.

Shi Anhua, Liu Sen, Huang Jie, et al. Visible spectral radiant intensity measuring technology for hypervelocity impact phenomena[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2007, 21(4): 83-85.

[13] 石安華, 柳森, 韓冬, 等. 高速攝影在碎片云溫度測量中的初步應(yīng)用[C]//第六界全國空間碎片學(xué)術(shù)交流會, 成都, 2011: 517-524.

Shi Anhua, Liu Sen, Han Dong, et al. A preliminary application of high-speed photography on debris cloud temperature measuring[C]//The 6th National Symposium of Space Debris, Chengdu, 2011: 517-524.

[14] 石安華, 柳森, 黃潔, 等. 超高速碰撞光輻射實驗研究[C]//第十四屆中國空氣動力學(xué)物理氣體動力學(xué)學(xué)術(shù)交流會, 成都, 2009: 35-37.

Shi Anhua, Liu Sen, Huang Jie, et al. Experimental investigation of hypervelocity impact flash[C]//The 14th National Symposium of China Aerodynamic Physical Gas Dynamics, Chengdu, 2009: 35-37.

[15] Kramida A, Ralchenko Yu, Reader J, et al. NIST atomic spectra database (Ver.5.0)[S/OL]. http://physics.nist.gov/asd [2013, Feb. 16]. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD

[16] 陳新坤等編著. 原子發(fā)射光譜分析原理[M]. 天津: 天津科學(xué)技術(shù)出版社, 1991: 28-37.

Chen Xinkun. Principle of atomic emission spectrometry[M]. Tianjin: Tianjin Science and Technology Press, 1991: 28-37.

作者簡介:

馬兆俠(1981-)，男，山東鄆城人，碩士，工程師。研究方向：超高速碰撞機理研究。通訊地址：四川省綿陽市中國空氣動力研究與發(fā)展中心(621000)。E-mail：lppcvd@126.com