铝球超高速撞击铝板反溅碎片云团辐射特性研究

2014-03-29马兆侠石安华

实验流体力学 2014年2期

马兆侠, 黄洁, 石安华, 苏铁, 柳森

(中国空气动力研究与发展中心, 四川绵阳 621000)

0 引言

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，通过对超高速碰撞粒子云团辐射特征的分析研究，可以获取撞击事件剧烈程度、撞击材料、撞击参数等重要信息。超高速碰撞粒子云团辐射特性研究在天体物理、空间碎片防护以及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。

对于超高速碰撞粒子云团辐射研究，国外已经开展了几十年的相关研究。1976年，Eichorn使用静电加速器开展了超高速撞击试验研究，通过研究获得了撞击闪光的辐射强度和弹丸的速度与质量的关系[1]。Sugita开展了铜球撞击白云岩的辐射研究，他将所测量可见光波段的光谱辐射功率进行积分，发现积分功率和撞击速度呈指数关系[2]。Lawrence[3]和Rheinhart[4]研究了不同材料超高速撞击的等离子体辐射、观察了撞击过程中的连续辐射、线状辐射和谱线吸收现象。Djameel Ramjaun等人利用特征光谱法研究了聚乙烯碰撞铝板产生的CN紫外光谱，采用理论计算CN光谱和测量光谱比对法得出试验条件下的碰撞火球温度在7730K左右[5]。Tsemblis使用静电加速器开展了铁撞击钠钙玻璃的辐射研究，将辐射光谱与黑体辐射进行了对比，发现撞击等离子体的平均温度和撞击速度有关[6]。2012年，Dominic Heunoske[7]研究了铝球撞击太阳能电池的等离子体辐射情况，研究发现，在撞击开始至1.5μs阶段，撞击等离子体是光学厚等离子体，出现谱线自吸现象，2μs后，等离子体膨胀成光学薄等离子体，自吸谱线消失，特征谱线出现；撞击开始至3μs内，电子温度从45000K迅速降至2000K，电子密度从1019cm-3降至1017cm-3。

国内唐恩凌，张庆明[8-11]等人使用光辐射计、电子探针等手段初步开展了碰撞角度、碰撞速度对碰撞产生的等离子体的温度、辐射强度影响，同时也初步开展了等离子体电子温度的诊断研究。石安华等人[11-14]开展了铝球撞击铝板的光谱和光辐射强度的测量技术研究和铝球撞击铝板的光谱、光辐射强度、火球温度初步试验研究。

本研究开展铝球超高速碰撞铝板形成的反溅粒子云团温度、辐射能量以及气化基态粒子数与撞击动能之间的关系，为开展超高速碰撞云团温度规律、原子离化率以及超高速碰撞参数反演等研究提供技术支持。

1 试验方案

1.1试验系统

试验在中国空气动力研究与发展中心超高速所超高速碰撞靶上进行。超高速碰撞靶由靶室、发射系统、激光测速仪、光谱仪组成(见图1(a))。发射系统将弹丸加速至预设速度，弹丸通过测速区激发测速仪，AB两站测速仪测出弹丸当地速度，并依此估算出弹丸达到靶板时刻，输出至光谱仪一个延时触发信号；BC两站测速仪再次测出弹丸当地速度，根据两个当地速度，计算出速度下降值并计算弹丸达到靶板速度，即为撞击速度。光谱仪接收到触发信号后开始曝光，达到设定曝光时长后快门关闭，并将测量数据上传至测控主机，设备布置示意图如图1(a)所示。

(a) 试验设备布置

(b) 辐射测量区域

对于大部分空间碎片撞击航天器的情况，可以被观察到的辐射主要为反溅碎片云所发生的辐射，因此本研究将测量对象确定为反溅碎片云，试验所使用光谱仪为BRUKER公司生产 500IS/SM型光谱测量系统，对于0.5m远的反溅碎片云其曝光区域约为5cm(图1(b))。

1.2试验参数

靶板和弹丸：1A30纯铝，其中靶板厚0.2cm，弹丸直径d为0.2～0.5cm；靶室内空气压力为100Pa；碰撞速度V为3～6km/s；正撞击。测量波段为250～340nm，波长分辨率为0.1nm；该波段包含8条共振谱线和1条Al+谱线。

设撞击时刻为0时刻，为确保采集到撞击辐射光谱，光谱仪曝光时间设为100μs，曝光起始时刻为-50μs。

2 结果与分析

2.1特征谱线的识别

试验测得的典型辐射特征谱如图2所示。在0.1nm的波长分辨率下，特征谱线共6条，分别为256.79、257.51、265.28、266.06、308.21和309.27nm，查询NIST原子光谱数据库[15],上述谱线均为铝原子谱线，无铝离子和其它元素谱线。

图2 典型辐射特征谱

根据查询结果可知，309.27nm附近存在两条谱线，分别为309.27nm和309.28nm，由于设备分辨率的关系，两条谱线没有被分辨开，所以测量强度为两谱线强度之和。由于两谱线均为同一激发态3s23d跃迁至基态3s23p所发射谱线，具有相对确定的强度比，约为9.0∶1，可以据此关系解耦。

同样，257.51nm附近也有两条谱线，分别为257.51nm和257.54nm，两者同为3s24d跃迁至基态3s23p所发射谱线，两者强度比也为9.0∶1，可据此关系解耦。各特征谱线光谱常数见表1。

2.2粒子云团温度特性

2.2.1测温原理

根据原子分子辐射原理[16]，假设粒子云团处于局域平衡态，激发态原子遵循Boltzmann分布，则粒子立体角内自发跃迁辐射功率可由下式决定：

表1 Al原子共振线光谱数据

(1)

式中：N0为基态原子数；h为普朗克常数，6.626176×10-34J·s；c为光速，2.99792458×108m/s，λi为波长，10-9m；gi为能级简并度；Ai为自发跃迁几率，s-1；Z为配分函数；Ei为激发能级，cm-1；k为玻尔兹曼常数，0.695030cm-1·K-1；T为温度，K。对(1)式取对数，可改写为：

(2)

利用元素的多条谱线，通过手册查找或计算获得它们的激发能级Ei，简并度gi，自发跃迁几率Ai值，测量各谱线的强度Ii，然后以Ei为横坐标，ln(Iiλi/giAi)为纵坐标作图，通过各点所得直线的斜率为-1/kT，由此计算得到温度T。图3为典型的试验结果，从图中可看出，各数据点基本散落在某一直线附近，说明这种测温方法是可行的。

(a) d=0.3cm，V=5.8km/s

(b) d=0.4cm，V=5.0km/s

2.2.2粒子云团温度特性

使用上述方法进行温度测量，获得不同撞击条件下粒子云团的温度，温度与撞击参数之间的关系如图4所示。

图4 粒子云团温度与撞击参数之间的关系曲线

从图4可以看出，在相同撞击速度条件下，撞击弹丸直径越大，温度越高；在弹丸直径不变的情况下，随着撞击速度的增加，粒子云团温度随之增加。根据数据进行拟合，获得粒子云团温度与撞击参数之间的经验关系为式(3)。

T(d,V)=1924.19d0.18V0.70

(3)

式中：d为弹丸直径；V为撞击速度。

2.3粒子云团辐射特性

以试验所测的最强辐射强度(d=5.0mm，V=5.0km/s，309.27nm处)的1/10000为一个相对辐射强度单位。对每次试验获得的每个光谱峰值进行积分，获得不同撞击条件下每个峰值的积分强度，积分宽度取1nm。图5为峰值积分强度与撞击能量之间的关系，从图中可看出，峰值积分强度随撞击能量的增加而增加，基本呈线性关系。可用式(4)表示：

(4)

图5 峰值积分强度与撞击动能关系

图6 波段积分强度与撞击动能之间的关系曲线

2.4粒子云团气化与撞击参数之间的规律

因为试验中所测光谱强度未进行绝对强度标定，测量强度和真实强度相差一因子ζ。联合公式(1)，(3)和(4)，可得：

(5)

假设配分函数Z随温度变化不敏感，为常数，根据(5)式和309.27nm谱线常数，计算N0的相对值与撞击参数关系如图7所示。

图7 N0与撞击参数之间的关系曲线

根据图7曲线变化形式，N0与撞击参数的经验关系可简化为(6)式。

N0=kexp(7.12d0.83+1.67(V-3.00)0.70)

(6)

基态原子数N0代表撞击产物汽化粒子数，和汽化质量成正比，则(6)式也表达了撞击产物汽化率与撞击参数之间的关系规律。式中k为常数因子，可以通过少量实验测得。

3 结论

本文开展了铝球撞击铝板的超高速撞击辐射特性研究，获得结论如下：

(1) 粒子云团温度与撞击参数之间的经验关系式为T(d,V)=1924.19d0.18V0.70；

(2) 峰值积分强度及250～340nm波段积分强度和撞击动能呈线性关系；

(3) 获得相对基态原子数与撞击参数的经验关系。

参考文献:

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