超高速撞击粒子云团的温度测量技术及其影响因素分析

【作者】 马兆侠； 石安华； 黄洁； 胡华雨； 柳森；

【机构】 中国空气动力研究与发展中心超高速碰撞研究中心；

【摘要】 超高速碰撞粒子云团辐射是超高速碰撞过程中的重要物理现象,通过分析超高速碰撞粒子云团的辐射特征,可以获取撞击事件的剧烈程度、撞击材料、撞击参数等重要信息。超高速碰撞粒子云团的温度测量技术是超高速碰撞粒子云团辐射研究中的关键技术之一,在天体物理、深空探测、动能武器研制、空间碎片撞击事件感知等方面具有重要的应用价值。本研究开展了铝球对铝板的超高速撞击实验,弹丸直径为2⁵ mm,撞击速度为3⁶ km/s,正撞击。利用瞬态光谱测量设备,获得了反溅粒子云团在250³40 nm波段的辐射特征光谱,从中可辨认出铝原子的6条特征谱线和2条伴线,并对特征谱线和伴线进行了解耦。通过对光谱数据进行分析,得到如下结论:（1）基于实验采集的原子特征谱线,采用玻尔兹曼图解法诊断出粒子云团的温度,对于本实验状态下,反溅云团温度为4 000⁷ 000 K;（2）玻尔兹曼图解法所得温度为铝原子的激发温度,由于实验所测光谱为测量对象在时间和空间上的辐射积分,因此所得温度为"平均"温度,但该温度更接近反溅云团测量过程中的最高温度;（3）在使用玻尔兹曼图解法进行测温时,部分实验的数据点偏离线性,使得测量结果不再可信;经分析发现,造成数据点偏离线性的原因不是反溅云团粒子温度在时间和空间上的不均匀特性,而是谱线在传输过程中的自吸收效应;（4）当数据点偏离线性较为明显时,玻尔兹曼图解法不再适用,必须考虑辐射自吸收现象;根据辐射传输理论,进一步分析具有明显自吸收现象的光谱,可以评估反溅云团的粒子数密度;根据此方法获得直径为5 mm的弹丸以6 km/s撞击铝板的反溅碎片云的粒子数密度约为10^8.5cm^-3,对应的密度为1.37×10^-14g/cm³;（5）根据Saha方程初步评估了反溅云团的电离情况,进一步分析发现,激发铝离子和铝原子的谱线强度相差3⁵个量级,低于实验所用光谱仪的动态响应范围,因此实验中未观测到明显的离子谱线。更多还原