超高速撞击RDX光辐射特征测量试验

2022-10-14刘立恒马兆侠杜雪飞范晓樯石安华

兵器装备工程学报 2022年9期

刘立恒，马兆侠，杜雪飞，柳森，范晓樯，石安华

(1.国防科技大学空天科学学院, 长沙 410000; 2.中国空气动力研究与发展中心超高速碰撞研究中心, 四川绵阳 621000)

1 引言

超高速撞击光辐射现象是超高速撞击过程中的重要物理现象，包含了撞击材料、撞击参数、撞击效果等信息。超高速撞击典型靶材的光辐射特性研究，在撞击辐射模型建立、目标毁伤评估等方面具有重要的应用价值。

国外从20世纪60年代起，就开始了对超高速撞击辐射特性的研究，加拿大计算装置有限责任公司(computing devices of canada ltd)、美国空军阿诺德工程发展中心(arnold engineering development center)、美国国家航空航天局艾姆斯研究中心(NASA’s ames research center)、德国弗劳恩霍夫协会瞬时动态研究所(fraunhofer institute for high-speed dynamics,ernst-mach-institut)等单位都在弹道靶上开展了大量的超高速撞击光辐射测量试验。此外，2005年7月4日，美国国家航空航天局还在空间开展了超高速撞击光辐射测量试验，用1个370 kg的撞击器以10.3 km/s的速度撞击了坦普尔1号彗星，通过航天器上的探测器,测量了光辐射图像及光辐射强度的时间历程数据，并与实验室撞击试验数据对比分析了坦普尔1号彗星的组成与结构。

针对目标毁伤程度评估，国外也开展了大量研究工作。2004年，美国陆军研究实验室(U.S.army research laboratory)开展了一系列室内、室外超高速撞击可见光及红外辐射特征试验，室内试验主要是建立超高速撞击辐射数据库，室外试验则是测量潜在对手现役装备的撞击辐射数据。2006年，R.J.Lawrence等在二级、三级轻气炮和磁驱动飞行Z加速器上，利用光谱仪和条纹相机测量了弹丸6～25 km/s速度撞击铝、石英等材料的时间分辨可见光及红外光谱辐射，证实了通过光谱演化特征远程分析导弹防御交战的可行性和可靠性。2008年，美国桑迪亚国家实验室(sandia national laboratories)在弹道靶上开展了弹丸以5～11 km/s速度超高速撞击铝板靶材、铈板靶材和炸药靶材的试验，利用光学多通道分析仪测量了300～1 500 nm的光谱辐射强度，并估算了撞击产物的温度。2011年，美国赖特-帕特森空军基地(wright-patterson air force base)开展了超高速撞击高速摄影及辐射强度测量试验，对光辐射闪光轮廓演化过程进行了研究。

国内对超高速撞击辐射的研究起步较晚，试验主要在弹道靶上开展，撞击靶材以铝板为主，研究主要集中在中国空气动力研究与发展中心、沈阳理工大学、北京理工大学等单位。石安华、马兆侠、唐恩凌、张庆明等在弹道靶上开展了大量铝球超高速撞击铝板的辐射特性试验。

为开展动能毁伤特性评估，需要不同靶材的超高速撞击辐射数据，含炸药靶材的超高速撞击辐射试验国内还未见公开报道。基于此，开展了铝球超高速撞击裸装RDX、盒装RDX和空药盒等3种靶材的辐射特性试验，测量了辐射强度变化，分析了撞击产物温度以及撞击速度、撞击靶材、起爆与否与辐射强度之间的关系。

2 试验方法

2.1 试验系统

试验在中国空气动力研究与发展中心超高速碰撞靶上进行，试验系统主要由超高速碰撞靶、测速与控制系统、辐射强度测量系统等组成，试验布置如图1所示。

图1 试验布置示意图Fig.1 Diagram of test layout

超高速碰撞靶

超高速碰撞靶主要由二级轻气炮、爆震段、试验段组成。二级轻气炮利用火药爆炸破膜驱动活塞，并由活塞压缩氢气形成高压，再由高压氢气破膜驱动试验模型发射至预定的速度。爆震段内安装分离板实现试验模型与弹托的分离。试验段内安装靶材开展撞击试验，试验段上安装各类测试系统实现对试验过程的测量，试验段上连接真空泵实现不同压力环境的模拟。

测速与控制系统

测速与控制系统由2个测速站和1套控制系统组成。测速站在靶室一侧发射片状激光，另一侧探测激光信号，试验模型飞过时对片状激光部分遮挡，导致接收的激光信号幅值发生变化，从而检测到试验模型到达测速站的时刻。控制系统通过两测速站间的距离除以试验模型飞过两站所用的时间，计算试验模型的平均速度，通过测速站2到靶材的距离和试验模型平均速度测算撞击时刻，并延时提供触发信号，触发辐射强度测量系统开始测量。

辐射强度测量系统

辐射强度测量系统由辐射计和数据采集系统组成。辐射计以光电倍增管为探测器，光谱响应波长为185～850 nm，辐射计前加装带外深截止滤光片(200～1 000 nm OD4以上)测量透过波段的辐射强度，试验中使用8个通道测量8个波段的辐射强度，各通道中心波长、带宽Δ(=1，2，…，8)如表1所示，其中通道1包含铝的308.2 nm和309.3 nm特征谱线，通道3包含铝的394.4 nm和396.15 nm特征谱线。

表1 通道参数(nm)Table 1 Measure channel parameters

数据采集系统在触发信号到达后，开始按照预定时间长度采集8个通道的辐射计输出电压信号。

为增加辐射计测量视场，在试验段上加装了延长筒，使撞击点到光纤接收端面距离达到2.8 m。辐射计通过光纤接收撞击光辐射进行测量，光纤接收端面法线与靶材轴线(也是二级轻气炮轴线)垂直，光纤芯径600 μm、数值孔径为0.22，受试验段450 mm窗口限制，辐射计可用视场角为16°，在靶材轴线处视场为约780 mm的圆，图1中水平虚线即为圆的直径。

2.2 试验模型及靶材

试验模型为5 mm 2A12铝球，试验靶材有以下3种：

1) 空药盒：盒内61 mm×6 mm的2A12铝盒，铝盒壳厚2.5 mm，安装在2.5 mm厚2A12铝合金方形支撑板上；

2) 盒装RDX：规格为60 mm×2.5 mm的RDX放置于药盒内，并安装在2.5 mm厚2A12铝合金方形支撑板上；

3) 裸装RDX：规格为60 mm×2.5 mm的RDX，粘贴在用于支撑的2.5 mm厚2A12铝合金方形板中心50 mm圆孔上。

试验靶材如图2所示。

图2 试验靶材图Fig.2 Target material

2.3 试验参数

试验状态参数如表2所示。

表2 试验状态参数Table 2 Typical test parameters

3 数据处理

3.1 标定

辐射计采用已知光谱辐射照度的高亮度白光光源(辐射光谱范围为170～2 100 nm)进行标定，标定光路如图3所示，光源出射方向与光纤接收端共线，为使标定光路与试验光路一致，在光纤接收端前加装试验时使用的窗口玻璃，辐射计增益电压与试验时保持一致。光学斩波器对光源进行调制形成脉冲辐射照射到光纤接收端。

图3 标定光路示意图Fig.3 Calibration light path diagram

通过调整光源到光纤接收端的距离，以改变光纤接收端的辐照度，进而改变辐射计产生的脉冲电压，获得一系列各波段(中心波长为、带宽Δ=2,-1,，=1，2，…，8)在不同距离处的辐照度(,)和电压(,)，使用一元二次函数拟合获得电压和辐照度之间的对应关系为：

(1)

式(1)中：、、为标定系数；不同距离处的电压(,)通过数据采集系统采集获得。辐照度(,)通过距光源05 m处的标准光谱辐照度值(05,)计算，即：

(2)

3.2 光谱辐射强度计算

根据试验测得的各中心波长为、带宽为Δ的辐射在不同时刻的电压值(,)，依据已标定得到的拟合方程，计算得到撞击产物在中心波长为、带宽为Δ的辐射在不同时刻的辐照度(,)，由于测量距离大于撞击位置测量视场5倍半径，对于辐射计光纤接收端面位置，撞击辐射可以近似看成点源辐射，由此带来的误差不大于2，因此，可利用距离平方反比定律得到中心波长处的撞击辐射强度随时间的变化，即：

(3)

式(3)中，为试验时靶材轴线到光纤入射端面的距离，m。

3.3 撞击产物温度计算

假设撞击产物辐射为灰体辐射，并在很短的时间内达到平衡。在平衡热辐射的条件下，根据普朗克辐射定律可知：

(4)

式(4)中：()为时刻的等效黑体辐射面积；(())为与时刻对应的等效辐射温度()相同的黑体在波长处的黑体光谱辐射出射度；为第1辐射常数，=2π=3741 8×10W·m;为第2辐射常数，==1438 8×10m·K，为光速，为普朗克常数，为玻尔兹曼常数。

式(4)中，()、()为未知数，可通过时刻多个波长下的光谱辐射强度()数据，采用最小二乘法拟合求得。

4 结果与分析

利用标定拟合方程处理得到空药盒、盒装RDX、裸装RDX在不同撞击速度下的辐射强度变化结果，如图4—图9所示，每次试验各个辐射峰的峰值光谱辐射强度如表3所示，计算得到的撞击盒装RDX、裸装RDX的撞击产物温度变化如图10所示,等效黑体辐射面积变化如图11所示。其中第3次试验中RDX未完全反应，试验后在靶室内回收到RDX残片约7.27 g。其余试验中，在靶室未见明显RDX残留。

图4 铝球以2.7 km/s速度撞击空药盒时光谱辐射强度曲线Fig.4 Radiation intensity when impacting the empty box at 2.7 km/s

图5 铝球以6.1 km/s速度撞击空药盒时光谱辐射强度曲线Fig.5 Radiation intensity when impacting the empty box at 6.1 km/s

图6 铝球以2.7 km/s速度撞击盒装RDX时光谱辐射强度曲线(9.26 g RDX中有7.27 g RDX残留)Fig.6 Radiation intensity when impacting the packed RDX at 2.7 km/s

图7 铝球以6.0 km/s速度撞击盒装RDX时光谱辐射强度曲线Fig.7 Radiation intensity when impacting the packed RDX at 6.0 km/s

图8 铝球以2.7 km/s速度撞击裸装RDX时光谱辐射强度曲线Fig.8 Radiation intensity when impacting the naked RDX at 2.7 km/s

图9 铝球以6.2 km/s速度撞击裸装RDX时光谱辐射强度曲线Fig.9 Radiation intensity when impacting the naked RDX at 6.2 km/s

图10 不同试验状态下的等效辐射温度变化Fig.10 Equivalent radiation temperature variation of different test

图11 不同试验状态下的等效辐射面积曲线Fig.11 Equivalent radiation area variation of different test

表3 Test1～Test6峰值光谱辐射强度(W·Sr-1·nm-1)Table 3 Peak radiation intensity of Test1～Test6(W·Sr-1·nm-1)

4.1 撞击空药盒光辐射特性分析

铝球超高速撞击空药盒时，光谱辐射强度存在1个明显峰，总体上呈先快速升高后快速下降的趋势，持续时间极短，约50 μs，辐射波段以紫外为主，其中通道1(中心波长302.9 nm)和通道3(中心波长393.4 nm)辐射较强，其他通道辐射强度较弱。通道1包含铝的308.2 nm和309.3 nm特征谱线，通道3包含394.4 nm和396.2 nm特征谱线，这2个通道辐射强度最大，说明撞击产物辐射主体为铝气体。这和铝球超高速撞击铝厚靶的特征基本相同。

6.1 km/s撞击速度条件下的光谱辐射强度值均大于2.7 km/s撞击速度条件下的光谱辐射强度值，说明该峰光谱辐射强度主要是由撞击条件来控制。

辐射机制可能是：铝球超高速撞击铝空药盒时，剧烈的冲击、压缩、剪切效应使得撞击点附近温度急剧升高，产生大量气化铝产物，使得压强急剧升高并迅速向外膨胀形成冲击波，光辐射强度急剧升高直至产生峰值；撞击结束后，温度、压强迅速降低，光辐射强度迅速降低。

撞击速度越大，铝球的动能就越大，冲击气化产物的能量就越大，辐射强度就越大，因此，撞击冲击波效应产生的光谱辐射强度随着撞击速度的增大而增强。

4.2 撞击盒装RDX光辐射特性分析

和撞击空药盒不同，铝球超高速撞击盒装RDX时，除了约50 μs之前存在一个峰值外，50 μs后还存在一个持续时间更长的特征峰。

第1峰

第1峰的总体趋势、持续时间与强辐射波段与铝球超高速撞击空药盒基本相同。在相同速度撞击条件下，盒装RDX的撞击辐射强度峰值高于空药盒的撞击辐射强度峰值。这说明，铝球超高速撞击盒装RDX的光谱辐射强度第1峰不仅与超高速碰撞有关，还与盒装RDX的反应有关。

辐射机制可能是：铝球超高速撞击盒装RDX时，撞击产生的包括气化铝原子在内的气化产物向外膨胀形成冲击波，与此同时，盒内RDX受撞击发生爆轰，爆轰产物的膨胀作用增强了铝球撞击药盒的冲击波强度，从而产生了比撞击空药盒更强的光谱辐射。

第2峰

第2峰总体上呈先升高后下降趋势，持续时间较第1峰显著增长，约300 μs，辐射波段以可见光为主，中心波长为800 nm的波段光谱辐射最强。

对于包含了铝原子强特征辐射谱的波段光谱辐射无显著峰，说明该辐射与铝球和铝药盒的撞击冲击波效应关系不大；第3次试验反应1.99 g RDX(9.26 g RDX试验后靶室残留7.27 g)，第4次试验反应9.26 g RDX(9.26 g RDX试验后未见残留)，第4次试验比第3次试验的峰值光谱辐射强度大，说明该辐射与RDX反应量有关。

辐射机制可能是：弹丸撞击铝药盒后，盒内撞击点附近的RDX，因超高速撞击产生的高温高压而发生剧烈的化学反应，在药盒内迅速生成大量反应气体引发爆轰，形成高压并向外迅速膨胀冲破药盒的束缚，产生爆轰辐射。

4.3 撞击裸装RDX光辐射特性分析

铝球超高速撞击裸装RDX时，光谱辐射强度存在多个峰。

第1、2峰

第1、2峰总体上呈先快速升高后快速下降的趋势，持续时间极短，第1峰约10 μs、第2峰约15 μs，辐射波段以紫外为主，包含铝原子强特征辐射谱的中心波长为393.4 nm的波段光谱辐射最强。

第1、2峰紫外波段光谱辐射强度大于可见光波段光谱辐射强度，说明辐射源的温度较高；包含了铝原子强特征辐射谱的波段光谱辐射最强，说明辐射源中存在气化铝原子；第1峰在6.2 km/s撞击速度条件下的光谱辐射强度值显著大于2.7 km/s撞击条件下的光谱辐射强度值，说明第1峰光谱辐射强度主要是由撞击条件来控制；第2峰在2种撞击速度条件下的光谱辐射强度值相差不大，说明第2峰光谱辐射强度与撞击条件关系不大，而和RDX的化学反应相关性强。

其他峰

在撞击约50 μs后，辐射强度存在多个峰值，在1 500 μs左右达到最大值，如图8、图9所示。总持续时间大于1 700 μs，辐射波段以可见光为主，中心波长为800 nm的波段光谱辐射最强。

包含了铝原子强特征辐射谱的波段在其他峰峰值处幅值很小，在2种撞击速度条件下，光谱辐射强度值相差不大，说明该辐射与铝球和裸装RDX的撞击冲击波效应相关度很小。其他峰的辐射持续时间显著大于碰撞盒装RDX第2峰的辐射持续时间。

辐射机制可能是：撞击点附近的RDX发生爆轰后，由于裸装RDX缺乏药盒的空间约束，使得爆轰反应的速度变慢，产生了比盒装RDX持续时间更长的爆轰辐射。