爆轟驅動下對碰區(qū)早期凸起行為的超高速光電攝影實驗研究*

趙新才，張崇玉，李 劍，劉寧文，肖正飛

(1.中國工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽 621999; 2.中國工程物理研究院研究生院，北京 100088)

1 引 言

爆轟波對碰區(qū)的飛層運動是武器物理研究的熱點問題，涉及對碰區(qū)局部材料的沖擊或卸載熔化(與沖擊波構型和強度相關)、因材料壓縮和卸載路徑不同而造成的質點間速度梯度和速度場分區(qū)以及材料的剪切流變、斷裂、破碎和飛散等現(xiàn)象[1-2]。目前的實驗研究主要針對對碰行為晚期演化結果的外在特征，如對射流速度或空間密度等進行測量[3-9]或數(shù)值模擬[10-11]，并未涉及物質狀態(tài)和破碎彌散參數(shù)，例如質點固/液狀態(tài)識別、破碎物質的顆粒尺度分布及其演化、飛散物質在飛層上的來源位置、從連續(xù)介質狀態(tài)開始到形成的演化中間過程。對碰區(qū)運動凸起晚期診斷結果分析與飛層早期過程響應等行為有密切關聯(lián)，但尚缺少對該類實驗數(shù)據(jù)的精確測量。因此，從精密物理實驗研究的角度出發(fā)研究對碰區(qū)問題，亟需針對對碰區(qū)動載過程早期的相關機制和過程演化進行研究，主要包括入射沖擊波及對碰后沖擊波構形的變化，質點速度場的形成和演化、因材料熔化導致的材料表面破碎。

本研究中，選取W、Cu等材料作為研究對象，采用超高速光電分幅相機，搭建精密實驗診斷平臺，針對滑移爆轟對碰加載下對碰區(qū)入射沖擊波構形及加載強度、對碰區(qū)局部材料質點速度梯度的形成和熔化區(qū)分界等物理參數(shù)和早期行為進行研究，并對實驗現(xiàn)象進行分析討論。

2 超高速光電分幅相機

超高速光電分幅相機為中國工程物理研究院流體物理研究所自主研制的超高速攝影設備，具有攝影頻率高且可調、動態(tài)范圍大和弱光探測能力強等優(yōu)點，已經(jīng)應用于爆轟波與沖擊波物理、等離子體物理、加速器物理、慣性約束聚變、高溫等離子體和真空放電、激光與物質相互作用、高電壓等研究領域。超高速光電分幅由物鏡、分光系統(tǒng)、門控型微通道板像增強器、耦合器、CCD相機、工控機、同步控制單元、快脈沖電源、光纖收發(fā)器等組成，其工作原理如圖1所示。拍攝目標通過物鏡和分光系統(tǒng)成像在門控型微通道板上的陰極面，目標像經(jīng)像增強器放大耦合到CCD芯片上，CCD相機輸出圖像通過光纖傳輸在計算機上顯示并進行圖像處理。拍攝頻率和單幅曝光時間由精確同步控制器和MCP專用脈沖電源所設定。超高速光電分幅相機的主要指標如下：(1) 光譜響應范圍為380～850 nm；(2) 畫幅數(shù)為8幅；(3) 最高攝影頻率為2×108幅/秒；(4) 拍攝總長度為10 ms，幅間隔在1 ns～1 ms范圍內(nèi)分檔可調；(5) 輸出圖像畫面像素為1 600×1 200；(6) 空間分辨率不小于36 線對/毫米。

圖1 超高速光電分幅相機原理圖Fig.1 Schematic diagram of the high speed frame camera

3 實驗設計

3.1 實驗裝置

對碰區(qū)實驗裝置的結構如圖2所示。藥柱成分為JH-9005炸藥，尺寸為?32 mm×22 mm；飛片材料有W、Pb、Cu、Ce 4種，其厚度分別為1.5、2.0、2.5、3.3 mm，直徑均為36 mm；在藥柱與飛片之間安裝厚度為2 mm的鋁隔板；采用兩個BL21雷管在藥柱側面對稱位置上同時起爆，在炸藥中形成兩個相向傳播的爆轟波，爆轟波對碰后驅動飛片運動。

圖2 對碰區(qū)裝置結構圖Fig.2 Experimental configuration of the collision region

為了消除空氣沖擊波發(fā)光對對碰區(qū)凸起形貌觀測的影響，在裝置中設計了一個獨立密封腔結構，將飛片置于密封腔內(nèi)，其余部分(炸藥、雷管等)仍在大氣環(huán)境中。實驗時，要求密封腔真空度保持在50 Pa以下。密封腔面向相機一側采用K9光學玻璃窗口，為了增加透光率，消除反射光對觀測結果的影響，在K9玻璃兩面均鍍有增透膜。

3.2 測試技術與實驗布局

圖3 測試系統(tǒng)布局圖Fig.3 Layout of measurement system

采用超高速分幅攝影技術研究對碰區(qū)早期凸起行為的測試系統(tǒng)布局如圖3所示。由于實驗裝置為柱殼結構，因此沿裝置的軸線進行拍攝。為了更清晰地觀察凸起行為，將裝置與光軸(拍攝方向)的夾角取為60°，并且在飛層表面放一標尺，方便與對碰區(qū)凸起情況進行比較。相機曝光時間選擇為100 ns，根據(jù)實驗飛片材料的不同單獨設置幅間距，每發(fā)實驗可獲得8幅圖像。照明光源采用兩個脈沖氙燈作為前照明光源，從不同角度均勻地照亮實驗裝置的前表面。另外，由于實驗要求的拍攝視場較小(?10 mm)，因此設計了與相機系統(tǒng)相匹配的光學放大系統(tǒng)，對視場進行放大。實驗過程中，存在由高壓放電而導致的電磁干擾，為防止超高速光電分幅相機在高電壓環(huán)境中出現(xiàn)誤觸發(fā)、時序不正常及圖像丟失等問題，計算機控制與數(shù)據(jù)信號均采用全光纖傳輸。

4 實驗結果分析

實驗均以炸藥起爆時刻為計時零點，主要關注1 μs內(nèi)對碰區(qū)凸起的動態(tài)變化過程。采用超高速光電分幅相機拍攝得到8個典型時刻W飛層對碰區(qū)早期凸起行為的演化圖像，如圖4所示。從圖4中可以看出：零時刻，兩個相向傳播的爆轟波恰好相遇；當t=0.1 μs時，兩爆轟波發(fā)生碰撞，W飛層對碰區(qū)出現(xiàn)凸起；當t=0.2 μs時，碰撞凸起已經(jīng)非常明顯，并且隨著時間推移，凸起高度也越來越高。另外，逐漸延長后幾幅圖像的拍攝幅間距，得到了爆轟波對碰后波系反射、疊加及飛層破碎等過程。

圖4 鎢飛層對碰區(qū)早期凸起行為的演化圖像Fig.4 Evolution images of early bulge in collision region of W flyer

圖5為Cu作為飛層材料時對碰區(qū)早期凸起行為的演化圖像。相機曝光時間仍為100 ns，前7幅圖像的幅間距與W飛層實驗相同，最后一幅圖像延時為3.5 μs。相對于W飛層實驗，此發(fā)實驗中，爆轟波傳播的速度稍慢，在零時刻還未相遇；當t=0.1 μs時，兩爆轟波發(fā)生碰撞，飛層對碰區(qū)出現(xiàn)凸起現(xiàn)象。此外，在最后一幅圖像中，也清晰地觀察到飛層破碎的過程。對兩發(fā)次實驗分析可知，Cu和W對碰區(qū)早期凸起行為基本一致，但是，Cu飛層中爆轟波對碰運動相對W飛層溫和，膨脹速度要小一些。Cu和W飛層對碰區(qū)凸起形狀均為細長的射流狀，不過Cu飛層對碰區(qū)更加細膩，而W對碰區(qū)表面出現(xiàn)的微噴射顆粒相對較多。由此可見，材料的強度、熔點等性能與飛層對碰區(qū)凸起速度、形貌特征等有直接的關聯(lián)。對于Pb、Ce等飛層材料也進行了超高速攝影實驗，結果如圖6和圖7所示。

圖5 銅飛層對碰區(qū)早期凸起行為的演化圖像Fig.5 Evolution images of early bulge in collision region of Cu flyer

圖6 鉛飛層對碰區(qū)早期凸起行為的演化圖像Fig.6 Evolution images of early bulge in collision region of Pb flyer

圖7 鈰飛層對碰區(qū)早期凸起行為的演化圖像Fig.7 Evolution images of early bulge in collision region of Ce flyer

對比拍攝所得4種飛層材料對碰區(qū)早期凸起行為的圖像可以看出，對碰區(qū)凸起的運動速度從快到慢依次為W、Cu、Pb、Ce。兩爆轟波對碰后，各種材料的整體運動趨勢是一致的。飛層對碰區(qū)均出現(xiàn)了明顯的凸起現(xiàn)象，隨著時間的推移，對碰區(qū)凸起高度越來越高。本實驗采用超高速光電相機進行拍攝，獲取了清晰的對碰區(qū)早期凸起光學圖像，相對于傳統(tǒng)的光機式高速攝影技術，曝光時間更短，因此圖像的動態(tài)模糊更小，圖像細節(jié)更清晰。當然，單純通過光學照相獲取的圖像并不能完全反映對碰區(qū)早期凸起行為的全部特征，為了更全面地反映對碰區(qū)早期凸起的行為特征，還應該增加X光照相(可以濾除密度較低的微噴射物質)、激光干涉測速等技術手段。

5 結 論

利用超高速光電分幅相機建立了精密實驗平臺，選取性能基本已知的W、Pb、Cu、Ce等材料，對爆轟對碰加載下飛層對碰區(qū)運動所涉及的物理問題(如飛層中的沖擊波構形及加載強度、對碰區(qū)局部材料質點速度梯度的形成和熔化區(qū)分界)進行了實驗研究，獲得了飛層對碰區(qū)早期凸起行為的演化圖像，給出了沖擊波對碰前、后飛層表面變形的細節(jié)特征，實現(xiàn)了飛層表面狀態(tài)的精細辨識。實驗結果可以為對碰物理現(xiàn)象的量化分析和數(shù)值模擬提供參考。后續(xù)工作擬縮短超高速光電分幅相機拍攝的幅間距(納秒級)，針對特定階段進行高速照相，進一步提高實驗精度和辨識能力。

致謝:感謝胡海波研究員、湯鐵鋼研究員對實驗工作的指導以及任青毅、丁明軍、李碧勇等老師在實驗測試中的協(xié)助和支持。

[1] 張崇玉,胡海波,李慶忠.柱面內(nèi)爆驅動下鉛飛層對碰區(qū)動載行為的實驗研究 [J].高壓物理學報,2013,27(6):884-888.

ZHANG C Y,HU H B,LI Q Z.Experimental study on dynamic behavior of the collision region of lead tube driven by cylinderical implosion [J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2013,27(6):884-888.

[2] 張崇玉,胡海波,李慶忠,等.爆轟波對碰驅動下平面鉛飛層對碰區(qū)動載行為實驗研究 [J].高壓物理學報,2009,23(4):283-287.

ZHANG C Y,HU H B,LI Q Z,et al.Experimental study on dynamic behavior of lead plate driven by two head-on colliding detonation waves [J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2009,23(4):283-287.

[3] SIGH M,SUNEJA H R,BOLA M S,et al.Dynamic tensile deformation and fracture of metal cylinders at high strain rates [J].Int J Impact Eng,2002,27(9):939-954.

[4] 陳 軍,孫承緯,蒲正美,等.爆轟波對碰區(qū)產(chǎn)物驅動金屬圓管的研究 [J].爆炸與沖擊,2003,23(5):442-447.

CHEN J,SUN C W,PU Z M,et al.Expansion of metallic tubes by detonation product behind two head-on colliding detonation waves [J].Explosion and Shock Waves,2003,23(5):442-447.

[5] 張崇玉,谷 巖,張世文,等.爆轟波對碰驅動下金屬圓管膨脹變形特性研究 [J].爆炸與沖擊,2005,25(3):222-226.

ZHANG C Y,GU Y,ZHANG S W,et al.Study on expanding characteristic of steel tube driven by two head-on colliding detonation waves [J].Explosion and Shock Waves,2005,25(3):222-226.

[6] 張崇玉,谷 巖,李慶忠,等.爆轟波對碰驅動下加環(huán)紫銅圓管對碰區(qū)變形特性研究 [J].爆炸與沖擊,2007,27(2):97-102.

ZHANG C Y,GU Y,LI Q Z,et al.Study on deformation characteristics of collision region of copper tube with guard ring driven by two head-on colliding detonation waves [J].Explosion and Shock Waves,2007,27(2):97-102.

[7] ZHIEMBETOV A K,MIKHAYLOV A L,SMIRNOV G S.Experimental study of explosive fragmentation of metals melts[C]//Furnish M D,Thadhani N N,Horie Y.Shock Compression of Condensed Matter-2001.New York:American Institute of Physics,2002:547-550.

[8] 胡海波,張崇玉,袁 帥,等.材料動載失穩(wěn)特性表征與爆轟驅動對碰凸起現(xiàn)象研究 [C]//中國力學學會學術大會.北京,2007:63.

HU H B,ZHANG C Y,YUAN S,et al.Research on characterization of dynamic instability of materials and detonation driving on bulge phenomenon [C]//Conference of the Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics.Beijing,2007:63.

[9] NG H D,BOTROS B B,CHAO J,et al.Head-on collision of a detonation with a planar shock wave [J].Shock Waves,2006,15(5):341-352.

[10] 劉 軍,王言金,馮其京,等.爆轟驅動飛層對碰凸起的數(shù)值模擬研究 [C]//第十六屆全國流體力學數(shù)值方法研討會.昆明,2013:32.

LIU J,WANG Y J,FENG Q J,et al.Study on numerical simulation of detonation driven by fly colliding convex layer [C]//The 16th National Symposium on Fluid Mechanics Numerical Methods.Kunming,2013:32.

[11] 袁 帥,胡海波,張崇玉,等.應用SPH方法對平板鉛飛層對碰凸起動載行為的數(shù)值模擬研究 [J].高壓物理學報,2010,24(5):383-387.

YUAN S,HU H B,ZHANG C Y,et al.Simulation on head on bulging dynamic behavior of lead flyer with SPH method [J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2010,24(5):383-387.