激光驅(qū)動(dòng)靶丸超高速發(fā)射研究

班曉娜，楊為明，張品亮，張 琛，王 釗,*，田寶賢， 王哲斌，高智星，李 靜，胡鳳明

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京 102413； 2.中國(guó)工程物理研究院 激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900； 3.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

隨著人類航天活動(dòng)的日益頻繁，航天器數(shù)目越來越多，空間碎片環(huán)境問題日益突出[1]?？臻g碎片按其尺寸的差異通常分為3類：大碎片(尺寸在10 cm以上)；危險(xiǎn)碎片(尺寸在1～10 cm之間)；微小碎片(尺寸在l cm以下)，其中，微小碎片數(shù)量占空間碎片總數(shù)的99.67%。在近地軌道，微小碎片與航天器的相對(duì)撞擊速度高達(dá)15 km/s，平均撞擊速度接近10 km/s[2]，一旦發(fā)生撞擊，會(huì)使航天器表面結(jié)構(gòu)和部件失效，對(duì)其安全運(yùn)行造成重大威脅。為此，國(guó)內(nèi)外對(duì)各種防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的高速撞擊試驗(yàn)，以總結(jié)不同防護(hù)結(jié)構(gòu)的損傷行為和防護(hù)效應(yīng)。為更準(zhǔn)確模擬空間碎片超高速撞擊特性及累計(jì)損傷效應(yīng)，撞擊防護(hù)材料的靶的飛行速度是關(guān)鍵，因此，開展超高速發(fā)射技術(shù)研究對(duì)航天器空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)研究具有重要意義[3-4]。

超高速發(fā)射技術(shù)是將物體加速到幾至十幾km/s甚至更高的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。具備超高速發(fā)射實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ情_展超高速碰撞現(xiàn)象和機(jī)理研究的前提條件之一[5]。目前，研究空間碎片撞擊效應(yīng)的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式主要包括輕氣炮驅(qū)動(dòng)[6-7]、爆轟驅(qū)動(dòng)[8-9]以及電磁驅(qū)動(dòng)[10]等，其中，輕氣炮是超高速撞擊地面模擬研究常用的技術(shù)，較為常用的是二級(jí)輕氣炮，可將靶加速到6～8 km/s，但該裝置占用空間較大、操作繁瑣、加速成本高[11-12]；爆轟驅(qū)動(dòng)加速技術(shù)，直接利用爆炸能量驅(qū)動(dòng)彈丸，一般只能使彈丸速度達(dá)到3～5 km/s[13]；電磁驅(qū)動(dòng)加速技術(shù)主要針對(duì)絕緣飛片材料，可將飛片加速到6～18 km/s[13]。但這些驅(qū)動(dòng)方式加載飛片或彈丸的速度均難超過10 km/s，且存在設(shè)備操作復(fù)雜、成本高、實(shí)驗(yàn)破壞性較大和樣品回收困難等不足，因此很難精確模擬空間碎片的撞擊效應(yīng)。而激光驅(qū)動(dòng)的發(fā)射技術(shù)與傳統(tǒng)加速驅(qū)動(dòng)方式相比，設(shè)備更緊湊，可獲得更高的加載速度，且對(duì)其他元件無附帶損害，因此可有效降低實(shí)驗(yàn)成本。此外，激光驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)是加載過程時(shí)間更短，可同時(shí)開展速度和撞擊測(cè)量[14]。因此，激光驅(qū)動(dòng)高速發(fā)射技術(shù)模擬空間碎片的撞擊效應(yīng)研究備受國(guó)內(nèi)外關(guān)注。

激光驅(qū)動(dòng)高速發(fā)射技術(shù)是利用激光聚焦輻照靶目標(biāo)燒蝕形成高溫等離子體，并在靶內(nèi)產(chǎn)生沖擊波加速靶目標(biāo)到高速狀態(tài)，宏觀上類似于火箭效應(yīng)，等離子體噴射形成反推力加速靶目標(biāo)。目前，基于強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的目標(biāo)靶主要集中在對(duì)飛片靶的研究。如日本大阪大學(xué)Kadon等通過KrF激光器和Glass激光器研究了激光的波長(zhǎng)和脈寬對(duì)飛片速度的影響，并在研究中發(fā)現(xiàn)通過KrF激光器驅(qū)動(dòng)的飛片速度達(dá)16 km/s，遠(yuǎn)高于在Glass激光器中得到的10 km/s。其主要原因是由于波長(zhǎng)短、脈寬長(zhǎng)的激光光束與飛片靶的能量耦合效率高[15]。日本國(guó)立先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院Okada等利用能量為1 031 J的激光器驅(qū)動(dòng)鉭(Ta)飛片靶至23.6 km/s[16]。美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室利用NIKE激光器驅(qū)動(dòng)CH薄膜靶，獲得超過1 000 km/s的速度[17]。我國(guó)的科研人員在激光驅(qū)動(dòng)飛片研究方面也做了很多工作，如中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所利用YAG激光器驅(qū)動(dòng)含約束層的5 μm厚的Al飛片至6.6 km/s[18]，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所利用波長(zhǎng)1 064 nm、能量835 mJ、脈寬10 ns的激光將厚度5 μm的Al飛片加速到10.4 km/s[19]。2012年，中國(guó)原子能科學(xué)研究院通過百焦耳量級(jí)的KrF激光器驅(qū)動(dòng)50 μm的Al飛片至10 km/s[20]。2016年，中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心在神光Ⅲ原型裝置上采用3種不同方式加速飛片實(shí)驗(yàn)研究，即整形斜波脈沖加速Al飛片至8 km/s、等離子體射流碰撞加速Al飛片至6～11 km/s和短脈沖激光燒蝕加速?gòu)?fù)合PI-Cu飛片至50 km/s[14]。雖然國(guó)內(nèi)外在激光驅(qū)動(dòng)飛片研究方面取得許多重要進(jìn)展，但是外太空中的碎片實(shí)際上是具有一定的體積和形狀的[21]。因此，在防護(hù)材料研究方面不僅對(duì)速度有要求(一般需要大于10 km/s以上)，還對(duì)被驅(qū)動(dòng)靶的形狀有要求，如靶的形狀為球體等。但目前國(guó)內(nèi)外利用強(qiáng)激光在這方面的研究較少。2010年，日本大阪大學(xué)利用波長(zhǎng)1 054 nm的大能量激光GEKKO Ⅻ-HIPE開展了驅(qū)動(dòng)直徑為100～300 μm的鋁制彈丸的研究，但被加速?gòu)椡璧乃俣纫廊惠^小[22]。2014年，中國(guó)原子能科學(xué)研究院從激光燒蝕球丸的理論模型出發(fā)，推導(dǎo)出小球靶丸的速度表達(dá)式，證明小球的加載速度隨激光能量的增加而增大，但隨激光波長(zhǎng)的增加而減小[23]。綜合來看，激光驅(qū)動(dòng)高速發(fā)射技術(shù)主要集中在飛片加速領(lǐng)域，而加速球丸撞擊防護(hù)材料更能接近真實(shí)地模擬空間碎片和航天器撞擊過程。因此，如何將彈丸加速到更高的速度是目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

本工作基于流體程序開展激光驅(qū)動(dòng)彈丸的數(shù)值模擬，并在中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心神光Ⅲ原型裝置上首次開展351 nm波長(zhǎng)的大能量激光驅(qū)動(dòng)球丸的超高速實(shí)驗(yàn)，利用加速的高速鋁球進(jìn)行與防護(hù)材料作用的超高速撞擊測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并通過回收的被撞擊材料的撞擊形態(tài)研究撞擊效果及材料防護(hù)效果。

1 模擬研究

利用輻射流體程序HYADES在不同能量不同焦斑激光加載下，對(duì)靶的飛行速度進(jìn)行理論模擬預(yù)估。在模擬中，設(shè)置的參數(shù)與神光Ⅲ原型激光裝置參數(shù)一致，即激光脈沖為方波，波長(zhǎng)為351 nm，脈寬20 ns。同時(shí)，設(shè)置靶的初始厚度為200 μm。

圖1為靶燒蝕壓和自由面速度隨時(shí)間演化的結(jié)果。從圖1可看出，當(dāng)激光功率密度為2×1013W/cm2時(shí)，沖擊波經(jīng)過12.5 ns后傳播至靶自由面，瞬間將靶加速至18 km/s；當(dāng)激光功率密度為9×1013W/cm2時(shí)，沖擊波經(jīng)過7.2 ns后傳播至靶自由面，將靶加速至45 km/s，并在34 ns左右出現(xiàn)二次加速現(xiàn)象。這是由于長(zhǎng)脈沖(20 ns)激光驅(qū)動(dòng)下，沖擊加載的時(shí)間遠(yuǎn)大于單次沖擊在靶內(nèi)部的傳輸時(shí)間(7.2 ns)，沖擊波在自由面處反射稀疏波，對(duì)靶內(nèi)壓力進(jìn)行卸載。當(dāng)稀疏波傳回至靶前表面時(shí)，激光脈沖尚未結(jié)束，并在靶內(nèi)驅(qū)動(dòng)二次(34 ns)沖擊波加載，從而發(fā)生二次加速現(xiàn)象。類似的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在早期平面飛片靶研究中已被觀測(cè)到，甚至?xí)霈F(xiàn)3次及以上的多次加速[24]。

此外，還模擬了不同厚度靶在不同激光功率密度下的加載速度，分別如圖2所示。從圖2可看出，靶自由面開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間隨激光功率密度的增大而減小，自由面速度則隨功率密度的增大而增大，且靶厚度越小，靶自由面的速度越大。值得注意的是，當(dāng)靶厚度為300 μm時(shí)，在激光功率密度為9×1013W/cm2時(shí)，并未出現(xiàn)二次加速現(xiàn)象，由此可見，為避免二次加速，在實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)綜合考慮靶的厚度以及激光參數(shù)。

圖1 靶燒蝕壓和靶自由面速度隨時(shí)間的演化圖Fig.1 Evolution diagram of target ablation pressure and free surface velocity with time

圖2 不同厚度靶在不同激光功率密度下的模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of different thickness targets and different laser power densities

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

圖3 實(shí)驗(yàn)原理示意圖Fig.3 Layout of laser driven pellet

本實(shí)驗(yàn)采用直接驅(qū)動(dòng)方式，利用神光Ⅲ原型裝置上4路激光照射靶丸上端，在入射面形成高溫高壓等離子體，等離子體膨脹從而向下加速靶丸，高速運(yùn)動(dòng)的靶丸最終撞擊防護(hù)板。圖3為實(shí)驗(yàn)原理示意圖，靶丸通過連接細(xì)絲與靶支撐結(jié)構(gòu)相連接，連接細(xì)絲直徑20 μm。采用X光條紋相機(jī)(XSC)和X光分幅相機(jī)(XFC)作為診斷設(shè)備。原型激光裝置的下4路中的兩束光作為兩組背光源，照射背光材料Cu片，利用Cu的Kα射線作為探測(cè)光。其中，XSC記錄的背光為一段具有時(shí)空分布的亮帶，其空間方向由右向左，時(shí)間方向由上而下，當(dāng)靶丸運(yùn)動(dòng)經(jīng)過XSC時(shí)，會(huì)對(duì)探測(cè)光產(chǎn)生遮擋，亮帶因遮擋由右側(cè)向左逐漸變?yōu)椴煌该麝幱?。XFC可抓拍16幅背光信號(hào)不同時(shí)刻的橫斷剖面圖像，可診斷靶丸飛行的二維圖像。靶丸飛行速度可由XSC的燒蝕面/后自由面運(yùn)動(dòng)圖像獲得。

具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：球形靶丸直徑為200 μm，驅(qū)動(dòng)光波長(zhǎng)為351 nm，4路激光能量為553 J，脈沖寬度為20 ns(方波)，光斑直徑為200 μm，激光功率密度為8.8×1013W/cm2。背光能量為703 J，脈沖寬度為8 ns(方波)， 激光能量密度為4.5×1013W/cm2，相對(duì)主脈沖延時(shí)20 ns。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4a為激光驅(qū)動(dòng)靶丸實(shí)驗(yàn)獲得的XSC圖像，靶丸從右向左運(yùn)動(dòng)，對(duì)背光亮帶遮擋并形成明顯的運(yùn)動(dòng)軌跡。本次實(shí)驗(yàn)XSC獲取的圖像中縱軸每個(gè)像素為5.5 ps，橫軸每個(gè)像素為2.52 μm。

對(duì)XSC圖像進(jìn)行分析處理，首先對(duì)圖4a進(jìn)行圖像去噪處理，采用消除本底尋邊的方法確定X背光亮帶右側(cè)邊緣位置數(shù)據(jù)(圖4b圖像中的散點(diǎn))，再進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，并對(duì)其微分獲得目標(biāo)速度，如圖4b所示。從圖可看出，當(dāng)時(shí)間大于6 ns時(shí)，XSC圖像尋邊軌跡點(diǎn)很分散，可能是等離子體預(yù)膨脹導(dǎo)致的，這對(duì)軌跡擬合及微分速度的計(jì)算會(huì)造成較大誤差，因此對(duì)2～6 ns區(qū)間內(nèi)靶丸運(yùn)動(dòng)速度求平均，得到靶丸速度為44 km/s。最后，被加速的靶丸以速度44 km/s撞擊到Ti/Al/Mg 3層金屬防護(hù)結(jié)構(gòu)上，形成彈坑，撞擊的形貌如圖5所示。

3 討論

對(duì)比模擬結(jié)果，由于背光相對(duì)主脈沖延時(shí)20 ns，圖4中2～6 ns速度區(qū)間對(duì)應(yīng)的是圖2a模擬結(jié)果中22～26 ns的區(qū)間。從模擬結(jié)果來看，當(dāng)功率密度為8.8×1013W/cm2時(shí)，小球速度約46 km/s，略大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這主要是因?yàn)樵撃M計(jì)算是在一維條件下進(jìn)行的，由于多維效應(yīng)的影響，會(huì)使模擬的速度偏大，由此可定性說明實(shí)驗(yàn)與模擬基本吻合。

圖4 X條紋相機(jī)圖像(a)以及彈丸位移和速度隨時(shí)間的變化曲線(b)Fig.4 XSC image (a) and position and velocity of pellet vs time (b)

圖5 撞擊形貌Fig.5 Impact morphology

4 結(jié)論

本文基于神光Ⅲ原型裝置，在波長(zhǎng)351 nm、脈沖寬度20 ns、功率密度8.8×1013W/cm2的條件下，直接驅(qū)動(dòng)直徑為200 μm的鋁靶丸，獲得的靶丸速度為44 km/s，與模擬結(jié)果(46 km/s)基本吻合。同時(shí)，完成了靶丸與Ti/Al/Mg防護(hù)材料撞擊測(cè)試，評(píng)估了該材料的防護(hù)效果。研究結(jié)果表明，激光驅(qū)動(dòng)球丸發(fā)射技術(shù)在開展空間碎片撞擊效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和航天器防護(hù)應(yīng)用研究方面具有十分重要的意義。