超高速撞击反溅蒸汽云的辐射演化特征研究

【作者】 马兆侠； 石安华； 李俊玲； 刘海； 刘培； 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】 超高速碰撞辐射闪光是超高速碰撞过程中的重要物理现象。超高速撞击辐射现象蕴含了诸如撞击速度、撞击物密度、强度、物质组份等大量信息;对超高速撞击辐射特征的观测及其辐射机制研究是对测量数据分析诊断的基础,是其中关键技术之一,在陨石撞击、动能毁伤、空间碎片撞击事件感知等研究方面均具有重要的应用价值。本研究开展了一系列超高速碰撞试验,通过同时测量撞击产物的序列光谱和特征波段辐射演化历史数据,研究了撞击速度、弹丸直径、环境压力对撞击产物辐射特征的影响,回答了以下三个问题:Q1:超高速撞击辐射的辐射特征是什么,为什么有的文献是辐射特征为单峰,有的为两峰,还有的是三峰,各峰所代表的物理过程是什么?对于球形弹丸的超高速撞击,其典型辐射特征应该存在三个峰值,分别对应三个不同的物理过程:其中第一峰的产生机制为弹丸前半球侵彻过程中的jetting过程;第二峰的产生机制为弹丸超高速撞击冲击波压缩材料气化并膨胀过程;第三峰的产生机制是碰撞反溅碎片在环境气体中超高速运动的气动加热过程。在低撞击速度下,超高速撞击冲击波不足以使材料气化,因此不出现第二峰;在环境气体较高的情况,由于环境压力对产物气体膨胀阻碍作用,三个峰/两个峰特征合二为一。Q2:状态方程结合冲击雨贡纽数据显示,约10km/s的撞击速度才可使材料发生气化,为什么速度约3.5km/s的撞击即观察到气化产物所特有的特征辐射现象?结合Hugoniot曲线和状态方程分析,3.5km/s速度撞击下的辐射峰值并非是弹丸直接冲击气化,其第一峰应为考虑剪切加热效应的"Jetting"机制,即当球形弹丸侵彻靶板时,由于弹丸和靶板的局部接触位置的特殊几何条件,局部位置的相对运动速度可远高于撞击速度,使得材料达到更高的压缩状态,会出现局部介质流动不稳定性现象。Q3:如果超高速撞击产生等离子体,且等离子体可持续至ms量级,为什么对应特征辐射仅持续约几十μs,且一直未观测到离子特征辐射?试验所测碰撞辐射光谱均呈线状谱特征,未发现明显黑体背景辐射,可以确认辐射本体基本为高温非稠密铝蒸气,而非其它文献所报导的等离子体气体。撞击气化产物辐射本身仅能持续约几个微秒,持续几十微秒的辐射为碎片在环境气体中的烧蚀效应所致,而非撞击过程本身效应。结合Saha方程发现在撞击产物的热力学状态下,离子谱线比原子谱线强度至少小3个数量级,因此试验中难以同时观测到原子谱线和离子谱线。更多还原