馬兆俠, 黃 潔, 石安華, 蘇 鐵, 柳 森

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

超高速碰撞粒子云團(tuán)輻射是超高速碰撞過(guò)程中的重要物理現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)超高速碰撞粒子云團(tuán)輻射特征的分析研究，可以獲取撞擊事件劇烈程度、撞擊材料、撞擊參數(shù)等重要信息。超高速碰撞粒子云團(tuán)輻射特性研究在天體物理、空間碎片防護(hù)以及空間碎片撞擊事件感知等研究方面均具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)于超高速碰撞粒子云團(tuán)輻射研究，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展了幾十年的相關(guān)研究。1976年，Eichorn使用靜電加速器開(kāi)展了超高速撞擊試驗(yàn)研究，通過(guò)研究獲得了撞擊閃光的輻射強(qiáng)度和彈丸的速度與質(zhì)量的關(guān)系[1]。Sugita開(kāi)展了銅球撞擊白云巖的輻射研究，他將所測(cè)量可見(jiàn)光波段的光譜輻射功率進(jìn)行積分，發(fā)現(xiàn)積分功率和撞擊速度呈指數(shù)關(guān)系[2]。Lawrence[3]和Rheinhart[4]研究了不同材料超高速撞擊的等離子體輻射、觀察了撞擊過(guò)程中的連續(xù)輻射、線狀輻射和譜線吸收現(xiàn)象。Djameel Ramjaun等人利用特征光譜法研究了聚乙烯碰撞鋁板產(chǎn)生的CN紫外光譜，采用理論計(jì)算CN光譜和測(cè)量光譜比對(duì)法得出試驗(yàn)條件下的碰撞火球溫度在7730K左右[5]。Tsemblis使用靜電加速器開(kāi)展了鐵撞擊鈉鈣玻璃的輻射研究，將輻射光譜與黑體輻射進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)撞擊等離子體的平均溫度和撞擊速度有關(guān)[6]。2012年，Dominic Heunoske[7]研究了鋁球撞擊太陽(yáng)能電池的等離子體輻射情況，研究發(fā)現(xiàn)，在撞擊開(kāi)始至1.5μs階段，撞擊等離子體是光學(xué)厚等離子體，出現(xiàn)譜線自吸現(xiàn)象，2μs后，等離子體膨脹成光學(xué)薄等離子體，自吸譜線消失，特征譜線出現(xiàn)；撞擊開(kāi)始至3μs內(nèi)，電子溫度從45000K迅速降至2000K，電子密度從1019cm-3降至1017cm-3。

國(guó)內(nèi)唐恩凌，張慶明[8-11]等人使用光輻射計(jì)、電子探針等手段初步開(kāi)展了碰撞角度、碰撞速度對(duì)碰撞產(chǎn)生的等離子體的溫度、輻射強(qiáng)度影響，同時(shí)也初步開(kāi)展了等離子體電子溫度的診斷研究。石安華等人[11-14]開(kāi)展了鋁球撞擊鋁板的光譜和光輻射強(qiáng)度的測(cè)量技術(shù)研究和鋁球撞擊鋁板的光譜、光輻射強(qiáng)度、火球溫度初步試驗(yàn)研究。

本研究開(kāi)展鋁球超高速碰撞鋁板形成的反濺粒子云團(tuán)溫度、輻射能量以及氣化基態(tài)粒子數(shù)與撞擊動(dòng)能之間的關(guān)系，為開(kāi)展超高速碰撞云團(tuán)溫度規(guī)律、原子離化率以及超高速碰撞參數(shù)反演等研究提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速所超高速碰撞靶上進(jìn)行。超高速碰撞靶由靶室、發(fā)射系統(tǒng)、激光測(cè)速儀、光譜儀組成(見(jiàn)圖1(a))。發(fā)射系統(tǒng)將彈丸加速至預(yù)設(shè)速度，彈丸通過(guò)測(cè)速區(qū)激發(fā)測(cè)速儀，AB兩站測(cè)速儀測(cè)出彈丸當(dāng)?shù)厮俣?，并依此估算出彈丸達(dá)到靶板時(shí)刻，輸出至光譜儀一個(gè)延時(shí)觸發(fā)信號(hào)；BC兩站測(cè)速儀再次測(cè)出彈丸當(dāng)?shù)厮俣?，根?jù)兩個(gè)當(dāng)?shù)厮俣龋?jì)算出速度下降值并計(jì)算彈丸達(dá)到靶板速度，即為撞擊速度。光譜儀接收到觸發(fā)信號(hào)后開(kāi)始曝光，達(dá)到設(shè)定曝光時(shí)長(zhǎng)后快門關(guān)閉，并將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至測(cè)控主機(jī)，設(shè)備布置示意圖如圖1(a)所示。

(a) 試驗(yàn)設(shè)備布置

(b) 輻射測(cè)量區(qū)域

對(duì)于大部分空間碎片撞擊航天器的情況，可以被觀察到的輻射主要為反濺碎片云所發(fā)生的輻射，因此本研究將測(cè)量對(duì)象確定為反濺碎片云，試驗(yàn)所使用光譜儀為BRUKER公司生產(chǎn) 500IS/SM型光譜測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)于0.5m遠(yuǎn)的反濺碎片云其曝光區(qū)域約為5cm(圖1(b))。

1.2試驗(yàn)參數(shù)

靶板和彈丸：1A30純鋁，其中靶板厚0.2cm，彈丸直徑d為0.2～0.5cm；靶室內(nèi)空氣壓力為100Pa；碰撞速度V為3～6km/s；正撞擊。測(cè)量波段為250～340nm，波長(zhǎng)分辨率為0.1nm；該波段包含8條共振譜線和1條Al+譜線。

設(shè)撞擊時(shí)刻為0時(shí)刻，為確保采集到撞擊輻射光譜，光譜儀曝光時(shí)間設(shè)為100μs，曝光起始時(shí)刻為-50μs。

2 結(jié)果與分析

2.1特征譜線的識(shí)別

試驗(yàn)測(cè)得的典型輻射特征譜如圖2所示。在0.1nm的波長(zhǎng)分辨率下，特征譜線共6條，分別為256.79、257.51、265.28、266.06、308.21和309.27nm，查詢NIST原子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)[15],上述譜線均為鋁原子譜線，無(wú)鋁離子和其它元素譜線。

圖2 典型輻射特征譜

根據(jù)查詢結(jié)果可知，309.27nm附近存在兩條譜線，分別為309.27nm和309.28nm，由于設(shè)備分辨率的關(guān)系，兩條譜線沒(méi)有被分辨開(kāi)，所以測(cè)量強(qiáng)度為兩譜線強(qiáng)度之和。由于兩譜線均為同一激發(fā)態(tài)3s23d躍遷至基態(tài)3s23p所發(fā)射譜線，具有相對(duì)確定的強(qiáng)度比，約為9.0∶1，可以據(jù)此關(guān)系解耦。

同樣，257.51nm附近也有兩條譜線，分別為257.51nm和257.54nm，兩者同為3s24d躍遷至基態(tài)3s23p所發(fā)射譜線，兩者強(qiáng)度比也為9.0∶1，可據(jù)此關(guān)系解耦。各特征譜線光譜常數(shù)見(jiàn)表1。

2.2粒子云團(tuán)溫度特性

2.2.1測(cè)溫原理

根據(jù)原子分子輻射原理[16]，假設(shè)粒子云團(tuán)處于局域平衡態(tài)，激發(fā)態(tài)原子遵循Boltzmann分布，則粒子立體角內(nèi)自發(fā)躍遷輻射功率可由下式?jīng)Q定：

表1 Al原子共振線光譜數(shù)據(jù)

(1)

式中：N0為基態(tài)原子數(shù)；h為普朗克常數(shù)，6.626176×10-34J·s；c為光速，2.99792458×108m/s，λi為波長(zhǎng)，10-9m；gi為能級(jí)簡(jiǎn)并度；Ai為自發(fā)躍遷幾率，s-1；Z為配分函數(shù)；Ei為激發(fā)能級(jí)，cm-1；k為玻爾茲曼常數(shù)，0.695030cm-1·K-1；T為溫度，K。對(duì)(1)式取對(duì)數(shù)，可改寫(xiě)為：

(2)

利用元素的多條譜線，通過(guò)手冊(cè)查找或計(jì)算獲得它們的激發(fā)能級(jí)Ei，簡(jiǎn)并度gi，自發(fā)躍遷幾率Ai值，測(cè)量各譜線的強(qiáng)度Ii，然后以Ei為橫坐標(biāo)，ln(Iiλi/giAi)為縱坐標(biāo)作圖，通過(guò)各點(diǎn)所得直線的斜率為-1/kT，由此計(jì)算得到溫度T。圖3為典型的試驗(yàn)結(jié)果，從圖中可看出，各數(shù)據(jù)點(diǎn)基本散落在某一直線附近，說(shuō)明這種測(cè)溫方法是可行的。

(a) d=0.3cm，V=5.8km/s

(b) d=0.4cm，V=5.0km/s

2.2.2粒子云團(tuán)溫度特性

使用上述方法進(jìn)行溫度測(cè)量，獲得不同撞擊條件下粒子云團(tuán)的溫度，溫度與撞擊參數(shù)之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 粒子云團(tuán)溫度與撞擊參數(shù)之間的關(guān)系曲線

從圖4可以看出，在相同撞擊速度條件下，撞擊彈丸直徑越大，溫度越高；在彈丸直徑不變的情況下，隨著撞擊速度的增加，粒子云團(tuán)溫度隨之增加。根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得粒子云團(tuán)溫度與撞擊參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為式(3)。

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

(3)

式中：d為彈丸直徑；V為撞擊速度。

2.3粒子云團(tuán)輻射特性

以試驗(yàn)所測(cè)的最強(qiáng)輻射強(qiáng)度(d=5.0mm，V=5.0km/s，309.27nm處)的1/10000為一個(gè)相對(duì)輻射強(qiáng)度單位。對(duì)每次試驗(yàn)獲得的每個(gè)光譜峰值進(jìn)行積分，獲得不同撞擊條件下每個(gè)峰值的積分強(qiáng)度，積分寬度取1nm。圖5為峰值積分強(qiáng)度與撞擊能量之間的關(guān)系，從圖中可看出，峰值積分強(qiáng)度隨撞擊能量的增加而增加，基本呈線性關(guān)系?？捎檬?4)表示：

(4)

圖5 峰值積分強(qiáng)度與撞擊動(dòng)能關(guān)系

圖6 波段積分強(qiáng)度與撞擊動(dòng)能之間的關(guān)系曲線

2.4粒子云團(tuán)氣化與撞擊參數(shù)之間的規(guī)律

因?yàn)樵囼?yàn)中所測(cè)光譜強(qiáng)度未進(jìn)行絕對(duì)強(qiáng)度標(biāo)定，測(cè)量強(qiáng)度和真實(shí)強(qiáng)度相差一因子ζ。聯(lián)合公式(1)，(3)和(4)，可得：

(5)

假設(shè)配分函數(shù)Z隨溫度變化不敏感，為常數(shù)，根據(jù)(5)式和309.27nm譜線常數(shù)，計(jì)算N0的相對(duì)值與撞擊參數(shù)關(guān)系如圖7所示。

圖7 N0與撞擊參數(shù)之間的關(guān)系曲線

根據(jù)圖7曲線變化形式，N0與撞擊參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系可簡(jiǎn)化為(6)式。

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

(6)

基態(tài)原子數(shù)N0代表撞擊產(chǎn)物汽化粒子數(shù)，和汽化質(zhì)量成正比，則(6)式也表達(dá)了撞擊產(chǎn)物汽化率與撞擊參數(shù)之間的關(guān)系規(guī)律。式中k為常數(shù)因子，可以通過(guò)少量實(shí)驗(yàn)測(cè)得。

3 結(jié) 論

本文開(kāi)展了鋁球撞擊鋁板的超高速撞擊輻射特性研究，獲得結(jié)論如下：

(1) 粒子云團(tuán)溫度與撞擊參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為T(d,V)=1924.19d0.18V0.70；

(2) 峰值積分強(qiáng)度及250～340nm波段積分強(qiáng)度和撞擊動(dòng)能呈線性關(guān)系；

(3) 獲得相對(duì)基態(tài)原子數(shù)與撞擊參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

參考文獻(xiàn):

[1]Eichhorn G. Analysis of the hypervelocity impact process from impact flash measurements[J]. Planetary and Space Science, 1976, 24(8): 771-781.

[2]Sugita S, Schultz P H, Hasegawa S. Intensities of atomic lines and molecular bands observed in impact-induced luminescence[J]. Journal of Geophysical Research, 2003, 108(E12): 1401-1417.

[3]Lawrence R J, Chhabildas L C, Reinhart W D. Impact flash spectroscopy at impact velocities approaching 20km/s[C]//57th Aeroballistics Range Association, 2006.

[4]Reinhart W D, Chhabildas L C, Thornhill T F. Spectral measurements of hypervelocity impact flash[J]. International Journal of Impact Engineering, 2006, 33(1-12): 663-674.

[5]Djameel Ramjaun, Masakazu Shinohara, Ichiro Kato. Spectroscopic study of radiation associated with hypervelocity impacts[C]//Proceedings of the 23rd International Symposium on Shock Waves, 2001.

[6]Tsemblis K, Burchell M J, Cole M J, et al. Residual temperature measurements of light flash under hypervelocity impact[J]. International Journal of Impact Engineering, 2008, 35(11): 1368-1373.

[7]Dominic Heunoske, Martin Schimmerohn, Jens Osterholz. Time-resolved emission spectroscopy of impact plasma[C]//The 12th Hypervelocity Impact Symposium, MD, 2012.

[8]唐恩凌, 張慶明, 黃正平. 超高速碰撞產(chǎn)生等離子體的電子溫度診斷[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 27(5): 381-384.

Tang Enling, Zhang Qingming, Huang Zhengping. Electron tem-perature diagnosis of plasmas generated during hypervelocity impact[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2007, 27(5): 381-384.

[9]唐恩凌, 張慶明, 張健. 鋁-鋁超高速碰撞閃光現(xiàn)象的初步實(shí)驗(yàn)測(cè)量[J]. 航空學(xué)報(bào), 2009, 30(10): 1895-1900.

Tang Enling, Zhang Qingming, Zhang Jian. Preliminary experimental measurement of light flash phenomena produced in Al-Al hypervelocity impacts[J]. Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica, 2009, 30(10): 1895-1900.

[10] 唐恩凌. 超高速碰撞閃光強(qiáng)度與碰撞速度關(guān)系初步研究[J]. 宇

航學(xué)報(bào), 2009, 30(2): 811-814.

Tang Enling. A preliminary study on impact flash intensity and impact velocity during hypervelocity impact[J]. Journal of Astronautics, 2009, 30(2): 811-814.

[11] 石安華, 柳森, 黃潔, 等. 鋁彈丸超高速撞擊鋁靶光譜輻射特性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2008, 39(2): 715-717.

Shi Anhua, Liu Sen, Huang Jie, et al. Spectra measurement of radiation produced by aluminum projectiles impacting aluminum targets at hypervelocity speeds[J]. Journal of Astronautics. 2008, 39(2): 715-717.

[12] 石安華, 柳森, 黃潔, 等. 超高速碰撞可見(jiàn)光譜輻射強(qiáng)度測(cè)量技術(shù)[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2007, 21(4): 83-85.

Shi Anhua, Liu Sen, Huang Jie, et al. Visible spectral radiant intensity measuring technology for hypervelocity impact phenomena[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2007, 21(4): 83-85.

[13] 石安華, 柳森, 韓冬, 等. 高速攝影在碎片云溫度測(cè)量中的初步應(yīng)用[C]//第六界全國(guó)空間碎片學(xué)術(shù)交流會(huì), 成都, 2011: 517-524.

Shi Anhua, Liu Sen, Han Dong, et al. A preliminary application of high-speed photography on debris cloud temperature measuring[C]//The 6th National Symposium of Space Debris, Chengdu, 2011: 517-524.

[14] 石安華, 柳森, 黃潔, 等. 超高速碰撞光輻射實(shí)驗(yàn)研究[C]//第十四屆中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)物理氣體動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)交流會(huì), 成都, 2009: 35-37.

Shi Anhua, Liu Sen, Huang Jie, et al. Experimental investigation of hypervelocity impact flash[C]//The 14th National Symposium of China Aerodynamic Physical Gas Dynamics, Chengdu, 2009: 35-37.

[15] Kramida A, Ralchenko Yu, Reader J, et al. NIST atomic spectra database (Ver.5.0)[S/OL]. http://physics.nist.gov/asd [2013, Feb. 16]. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD

[16] 陳新坤等編著. 原子發(fā)射光譜分析原理[M]. 天津: 天津科學(xué)技術(shù)出版社, 1991: 28-37.

Chen Xinkun. Principle of atomic emission spectrometry[M]. Tianjin: Tianjin Science and Technology Press, 1991: 28-37.

作者簡(jiǎn)介:

馬兆俠(1981-)，男，山東鄆城人，碩士，工程師。研究方向：超高速碰撞機(jī)理研究。通訊地址：四川省綿陽(yáng)市中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(621000)。E-mail：lppcvd@126.com