超高速碰撞天然白云石板產(chǎn)生光譜輻射的實(shí)驗(yàn)研究

袁健飛，相升海，唐恩凌，張衛(wèi)東，張　爽，于永志

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽　110168；

2.沈陽航天三菱汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司，沈陽　110179)

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超高速碰撞天然白云石板產(chǎn)生光譜輻射的實(shí)驗(yàn)研究

袁健飛1，相升海1，唐恩凌1，張衛(wèi)東2，張爽1，于永志1

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽110168；

2.沈陽航天三菱汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司，沈陽110179)

摘要：為了研究深空未知物質(zhì)的元素組成，利用瞬態(tài)光譜測量系統(tǒng)和二級(jí)氫氣炮加載系統(tǒng)，進(jìn)行了球狀鋁彈丸超高速碰撞天然白云石板產(chǎn)生光譜輻射的實(shí)驗(yàn)研究，得到了多組碰撞角度相同，碰撞速度不同的元素光譜圖；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：碰撞光譜的元素組成與彈靶的物質(zhì)成分基本一致；不同碰撞速度所產(chǎn)生的碰撞光譜及特征一致，但光譜輻射強(qiáng)度不同，碰撞速度越高，各元素的光譜輻射強(qiáng)度越強(qiáng)；瞬態(tài)光譜測量系統(tǒng)和二級(jí)氫氣炮加載系統(tǒng)是測量超高速碰撞光譜的有效手段。

關(guān)鍵詞：超高速碰撞；光譜輻射；輻射強(qiáng)度

Citation format:YUAN Jian-fei, XIANG Sheng-hai, TANG En-ling,et al.Experimental Research of Spectral Radiation Produced by Hypervelocity Impact on Natural Dolomite Plate[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):167-170.

超高速碰撞過程中的光譜輻射特征是超高速碰撞過程中的重要效應(yīng)之一[1]。碰撞物質(zhì)光譜中的波長、強(qiáng)度可以準(zhǔn)確地反應(yīng)碰撞物質(zhì)的成分及各成分的比值[2]，對于鑒別未知物質(zhì)成分有重大意義。通過對碰撞過程中物質(zhì)光譜的采集，可以在宏觀和微觀層次上揭示超高速碰撞過程中物質(zhì)的元素信息，從而為航天器的防護(hù)和深空探測不明物體的物質(zhì)組成提供重要的信息。Schultz和Ernst進(jìn)行了碰撞非揮發(fā)物質(zhì)靶、粒子靶(主要是浮石粉末)過程產(chǎn)生閃光強(qiáng)度的演化特征研究[3-4]。雖然彈丸尺寸和碰撞速度與碰撞金屬靶的實(shí)驗(yàn)條件類似，但是閃光特征顯著不同。國內(nèi)外開展的相關(guān)研究主要針對粒子靶或金屬靶，關(guān)于天然白云石板的研究鮮見類似報(bào)道。唐恩凌等推導(dǎo)了碰撞產(chǎn)生閃光的射流起爆模型并利用建立的光纖瞬態(tài)高溫計(jì)測量系統(tǒng)結(jié)合二級(jí)輕氣炮加載系統(tǒng)，對彈丸超高速碰撞天然白云石板產(chǎn)生的碰撞閃光現(xiàn)象進(jìn)行了測試，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到了在相近碰撞速度條件下彈丸入射角度與產(chǎn)生閃光強(qiáng)度的關(guān)系[5]。本文針對上述現(xiàn)狀，對碰撞天然白云石板產(chǎn)生的元素光譜進(jìn)行研究。通過對光譜儀采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到碰撞光譜的譜線特征與物質(zhì)組成成分的對應(yīng)現(xiàn)象及一些元素的特征波長和譜線強(qiáng)度的關(guān)系。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其測量

實(shí)驗(yàn)在沈陽理工大學(xué)強(qiáng)動(dòng)載研究中心的二級(jí)輕氣炮上完成。為消除氣體對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)將發(fā)射管和靶室抽成真空，抽真空后靶室內(nèi)壓力小于100 Pa。碰撞光譜采用德國產(chǎn)光譜測量系統(tǒng)測量,快門時(shí)間可控,分辨率可達(dá)皮米級(jí)并在整個(gè)紫外和可見波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測。測量系統(tǒng)主要由中階梯光柵光譜儀(ESA 4000)、示波器及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。

二級(jí)輕氣炮發(fā)射超高速彈丸碰撞靶板產(chǎn)生閃光，光纖耦合器對閃光信號(hào)進(jìn)行采集，光信號(hào)輸入光譜儀，光譜儀對信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。具體的光譜測量原理如圖1所示。

圖1　光譜測量原理圖

1.2碰撞基本參數(shù)

彈丸為直徑4.6 mm的2A12實(shí)心鋁球；靶板為20 mm厚的天然白云石板，表面經(jīng)加工后光潔，白云石板產(chǎn)自遼寧省岫巖縣山區(qū)。該白云石板的化學(xué)成分為CaMg(CO3)2，其具體物質(zhì)組成：MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31%，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%。常含有硅、鋁、鐵、鈦等雜質(zhì)。表1為碰撞基本參數(shù)。

表1　碰撞基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)前將光譜儀光纖探頭固定在靶板的正前方，實(shí)驗(yàn)靶室布局如圖2(b)所示。通過光纖探頭對給定位置和方位角處靶板產(chǎn)生的光譜進(jìn)行測量，從而確定彈靶材料的物質(zhì)成分，得到光譜輻射強(qiáng)度與碰撞參數(shù)的關(guān)系，光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

圖2　實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)后的靶板如圖3所示。

圖3　實(shí)驗(yàn)后的靶板

給出了測量獲得的典型實(shí)驗(yàn)條件下碰撞產(chǎn)生的光譜如圖4所示。由圖4(a)中可以看出,彈靶中含有鎂、硅、鋅、鈣、銅和鉑等多種元素，與彈靶的物質(zhì)成分基本一致。圖4表明：在390.553 nm和530.102 nm處都存在明顯特征譜。通過對實(shí)驗(yàn)后的彈靶材料和碰撞光譜進(jìn)行分析后認(rèn)為:圖4中390.553 nm和530.102 nm光譜分別是Si原子和Pt原子光譜，都是天然白云石靶板中的雜質(zhì)成分。

圖4　不同碰撞速度下的碰撞光譜

分析圖4中390.553 nm和530.102 nm位置的兩個(gè)特征譜,發(fā)現(xiàn)這3種不同碰撞速度所產(chǎn)生的碰撞光譜及特征一致,只是由于碰撞速度不同,即碰撞動(dòng)能不同,所產(chǎn)生的光譜輻射強(qiáng)度不同。圖5是不同碰撞速度下Si原子和Pt原子的光譜輻射強(qiáng)度與碰撞速度的關(guān)系圖。圖5表明：對于相同輻射光譜,隨著速度增大，碰撞光譜輻射強(qiáng)度相對增強(qiáng)；對于這兩種元素，鉑元素的曲線基本平滑，硅元素的曲線有一個(gè)明顯的上升趨勢，并在速度為3.47 km/s時(shí)兩點(diǎn)能量相同。這是因?yàn)樘烊话自剖邪逯蠸i比Pt多，Pt原子相對Si原子較穩(wěn)定，比較難激發(fā)，所以Si元素光譜強(qiáng)度比Pt元素反應(yīng)明顯。

圖5　光譜輻射強(qiáng)度與碰撞速度的關(guān)系

圖6是碰撞速度為2.46 km/s時(shí)，不同波長下的光譜輻射強(qiáng)度圖。由圖6可以看出，每幅光譜輻射強(qiáng)度圖都有26個(gè)小框圖組成，每個(gè)小框圖表示不同波長條件下原子的光譜輻射強(qiáng)度。小框圖右上方的兩行數(shù)字從上而下表示該元素占鋁元素的比重、光譜輻射強(qiáng)度。以最后一個(gè)小框圖為例，它表示波長為308.216 nm時(shí)，對應(yīng)的原子的光譜輻射強(qiáng)度為1690.76a.u。圖6表明：在波長為200～350 nm，鋁元素居多，且在波長308.216 nm時(shí)強(qiáng)度最強(qiáng)。

圖6　速度為2.46 km/s時(shí)不同波長下的光譜輻射強(qiáng)度

分析五組不同速度下光譜輻射強(qiáng)度與碰撞速度的關(guān)系。彈靶材料主要以鋁元素和鎂元素為主，圖中鋁元素和鎂元素分別在波長308.216 nm和517.270 nm時(shí)強(qiáng)度最強(qiáng)。

圖7為鎂鋁元素光譜輻射強(qiáng)度與速度的關(guān)系。圖7表明：鎂元素隨碰撞速度的增加，譜線輻射強(qiáng)度緩慢增加；鋁元素隨碰撞速度的增加，譜線輻射強(qiáng)度有較大提高。這是由于彈丸由鋁組成，而鎂元素以MgO形式存在，較難激發(fā)。

圖7　光譜輻射強(qiáng)度與碰撞速度的關(guān)系

2結(jié)論

碰撞光譜的元素組成與彈靶的物質(zhì)成分基本一致。不同碰撞速度所產(chǎn)生的碰撞光譜及特征一致，但光譜輻射強(qiáng)度不同，碰撞速度越高，各元素的光譜輻射強(qiáng)度越強(qiáng)。瞬態(tài)光譜測量系統(tǒng)和二級(jí)氫氣炮加載系統(tǒng)是測量超高速碰撞光譜的有效手段。

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[5]唐恩凌，施曉涵，張慶明等.超高速碰撞天然白云石板產(chǎn)生閃光的實(shí)驗(yàn)研究[J].強(qiáng)激光與粒子束，2014，26(11)：1-6.

(責(zé)任編輯唐定國)

Experimental Research of Spectral Radiation Produced by Hypervelocity Impact on Natural Dolomite Plate

YUAN Jian-fei1, XIANG Sheng-hai1, TANG En-ling1,ZHANG Wei-dong2, ZHANG Shuang1, YU Yong-zhi1

(1.College of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110168，China;2.Shenyang Aerospace Mitsubishi Motors Engine Manufacturing CO., LTD., Shenyang 110179, China)

Abstract:In order to research unknown material elements in the deep space, using transient spectrum measurement system and secondary hydrogen loading system, we had experimentally researching of spectral radiation produced by hypervelocity impact on natural dolomite plate with spherical aluminum projectile and earning many groups of element spectrum diagrams with same incidence angle of projectile and different impact velocity. Experimental results show that the element composition of impact spectrum is agree with the material composition of the target. The higher impact velocity, the stronger spectral radiant intensity of each element, except the difference, different impact velocity generated by impact spectrum and spectrum characteristic is consistent, but different spectral radiation intensity. Transient spectrum measurement system and secondary hydrogen loading system are effective methods for measuring spectral radiance produced by hypervelocity impact.

Key words:hypervelocity impact; spectral radiance; radiation intensity

文章編號(hào)：1006-0707(2016)03-0167-04

中圖分類號(hào)：O531；TJ399

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.040

作者簡介：袁健飛(1989—)，男，碩士研究生，主要從事超高速碰撞研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(11272218)

收稿日期：2015-08-12；修回日期：2015-09-01

本文引用格式：袁健飛，相升海，唐恩凌，等.超高速碰撞天然白云石板產(chǎn)生光譜輻射的實(shí)驗(yàn)研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(3):167-170.

【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】