超高速碰撞天然白云石板产生光谱辐射的实验研究

袁健飞，相升海，唐恩凌，张卫东，张　爽，于永志

(1.沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳　110168；

2.沈阳航天三菱汽车发动机制造有限公司，沈阳　110179)



超高速碰撞天然白云石板产生光谱辐射的实验研究

袁健飞1，相升海1，唐恩凌1，张卫东2，张爽1，于永志1

(1.沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳110168；

2.沈阳航天三菱汽车发动机制造有限公司，沈阳110179)

摘要：为了研究深空未知物质的元素组成，利用瞬态光谱测量系统和二级氢气炮加载系统，进行了球状铝弹丸超高速碰撞天然白云石板产生光谱辐射的实验研究，得到了多组碰撞角度相同，碰撞速度不同的元素光谱图；实验结果表明：碰撞光谱的元素组成与弹靶的物质成分基本一致；不同碰撞速度所产生的碰撞光谱及特征一致，但光谱辐射强度不同，碰撞速度越高，各元素的光谱辐射强度越强；瞬态光谱测量系统和二级氢气炮加载系统是测量超高速碰撞光谱的有效手段。

关键词：超高速碰撞；光谱辐射；辐射强度

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.

超高速碰撞过程中的光谱辐射特征是超高速碰撞过程中的重要效应之一[1]。碰撞物质光谱中的波长、强度可以准确地反应碰撞物质的成分及各成分的比值[2]，对于鉴别未知物质成分有重大意义。通过对碰撞过程中物质光谱的采集，可以在宏观和微观层次上揭示超高速碰撞过程中物质的元素信息，从而为航天器的防护和深空探测不明物体的物质组成提供重要的信息。Schultz和Ernst进行了碰撞非挥发物质靶、粒子靶(主要是浮石粉末)过程产生闪光强度的演化特征研究[3-4]。虽然弹丸尺寸和碰撞速度与碰撞金属靶的实验条件类似，但是闪光特征显著不同。国内外开展的相关研究主要针对粒子靶或金属靶，关于天然白云石板的研究鲜见类似报道。唐恩凌等推导了碰撞产生闪光的射流起爆模型并利用建立的光纤瞬态高温计测量系统结合二级轻气炮加载系统，对弹丸超高速碰撞天然白云石板产生的碰撞闪光现象进行了测试，通过实验数据分析，得到了在相近碰撞速度条件下弹丸入射角度与产生闪光强度的关系[5]。本文针对上述现状，对碰撞天然白云石板产生的元素光谱进行研究。通过对光谱仪采集实验数据分析，得到碰撞光谱的谱线特征与物质组成成分的对应现象及一些元素的特征波长和谱线强度的关系。

1实验

1.1实验设备及其测量

实验在沈阳理工大学强动载研究中心的二级轻气炮上完成。为消除气体对实验结果的影响，实验时将发射管和靶室抽成真空，抽真空后靶室内压力小于100 Pa。碰撞光谱采用德国产光谱测量系统测量,快门时间可控,分辨率可达皮米级并在整个紫外和可见波长范围内实现同时检测。测量系统主要由中阶梯光栅光谱仪(ESA 4000)、示波器及计算机控制系统组成。

二级轻气炮发射超高速弹丸碰撞靶板产生闪光，光纤耦合器对闪光信号进行采集，光信号输入光谱仪，光谱仪对信号进行实时分析，得出实验数据。具体的光谱测量原理如图1所示。

图1　光谱测量原理图

1.2碰撞基本参数

弹丸为直径4.6 mm的2A12实心铝球；靶板为20 mm厚的天然白云石板，表面经加工后光洁，白云石板产自辽宁省岫岩县山区。该白云石板的化学成分为CaMg(CO3)2，其具体物质组成：MgO质量分数为21%，CaO质量分数为31%，CO2质量分数为48%。常含有硅、铝、铁、钛等杂质。表1为碰撞基本参数。

表1　碰撞基本参数

实验前将光谱仪光纤探头固定在靶板的正前方，实验靶室布局如图2(b)所示。通过光纤探头对给定位置和方位角处靶板产生的光谱进行测量，从而确定弹靶材料的物质成分，得到光谱辐射强度与碰撞参数的关系，光谱数据采集系统实物图如图2所示。

图2　实验实物图

1.3实验结果与分析

实验后的靶板如图3所示。

图3　实验后的靶板

给出了测量获得的典型实验条件下碰撞产生的光谱如图4所示。由图4(a)中可以看出,弹靶中含有镁、硅、锌、钙、铜和铂等多种元素，与弹靶的物质成分基本一致。图4表明：在390.553 nm和530.102 nm处都存在明显特征谱。通过对实验后的弹靶材料和碰撞光谱进行分析后认为:图4中390.553 nm和530.102 nm光谱分别是Si原子和Pt原子光谱，都是天然白云石靶板中的杂质成分。

图4　不同碰撞速度下的碰撞光谱

分析图4中390.553 nm和530.102 nm位置的两个特征谱,发现这3种不同碰撞速度所产生的碰撞光谱及特征一致,只是由于碰撞速度不同,即碰撞动能不同,所产生的光谱辐射强度不同。图5是不同碰撞速度下Si原子和Pt原子的光谱辐射强度与碰撞速度的关系图。图5表明：对于相同辐射光谱,随着速度增大，碰撞光谱辐射强度相对增强；对于这两种元素，铂元素的曲线基本平滑，硅元素的曲线有一个明显的上升趋势，并在速度为3.47 km/s时两点能量相同。这是因为天然白云石靶板中Si比Pt多，Pt原子相对Si原子较稳定，比较难激发，所以Si元素光谱强度比Pt元素反应明显。

图5　光谱辐射强度与碰撞速度的关系

图6是碰撞速度为2.46 km/s时，不同波长下的光谱辐射强度图。由图6可以看出，每幅光谱辐射强度图都有26个小框图组成，每个小框图表示不同波长条件下原子的光谱辐射强度。小框图右上方的两行数字从上而下表示该元素占铝元素的比重、光谱辐射强度。以最后一个小框图为例，它表示波长为308.216 nm时，对应的原子的光谱辐射强度为1690.76a.u。图6表明：在波长为200～350 nm，铝元素居多，且在波长308.216 nm时强度最强。

图6　速度为2.46 km/s时不同波长下的光谱辐射强度

分析五组不同速度下光谱辐射强度与碰撞速度的关系。弹靶材料主要以铝元素和镁元素为主，图中铝元素和镁元素分别在波长308.216 nm和517.270 nm时强度最强。

图7为镁铝元素光谱辐射强度与速度的关系。图7表明：镁元素随碰撞速度的增加，谱线辐射强度缓慢增加；铝元素随碰撞速度的增加，谱线辐射强度有较大提高。这是由于弹丸由铝组成，而镁元素以MgO形式存在，较难激发。

图7　光谱辐射强度与碰撞速度的关系

2结论

碰撞光谱的元素组成与弹靶的物质成分基本一致。不同碰撞速度所产生的碰撞光谱及特征一致，但光谱辐射强度不同，碰撞速度越高，各元素的光谱辐射强度越强。瞬态光谱测量系统和二级氢气炮加载系统是测量超高速碰撞光谱的有效手段。

参考文献：

[1]DUGGER P,HENDRIX R.Measurement of transient hypervelocity impact phenomena at AEDC[R].AIAA-1994-0087,1994.

[2]RAMJIAUN D,SHINOHARA M,KATO I,et al.Spectroscopic study of radiation associated with hypervelocity impacts[C]//proceeding of the 23rd International Symposium on Shock Waves.2001.

[3]SCHULTZ P H,GAULT D E.Prolonged global catastrophes from oblique impacts,in Global Catastrophes in Earth History:An Interdisciplinary Conference on Impacts,Volcanism,and Mass Mortality[C]//edited by Sharpton V L and Ward P D,1990:239-261.

[4]ERMST C M.SCHULTZ P H.Effect of initial conditions on impact flash decay [J].LPSC,2003,34:2020.

[5]唐恩凌，施晓涵，张庆明等.超高速碰撞天然白云石板产生闪光的实验研究[J].强激光与粒子束，2014，26(11)：1-6.

(责任编辑唐定国)

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

文章编号：1006-0707(2016)03-0167-04

中图分类号：O531；TJ399

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.040

作者简介：袁健飞(1989—)，男，硕士研究生，主要从事超高速碰撞研究。

基金项目：国家自然科学基金(11272218)

收稿日期：2015-08-12；修回日期：2015-09-01

本文引用格式：袁健飞，相升海，唐恩凌，等.超高速碰撞天然白云石板产生光谱辐射的实验研究[J].兵器装备工程学报，2016(3):167-170.

【基础理论与应用研究】