1、引言

超高速碰撞過程中產(chǎn)生的沖擊閃光現(xiàn)象包含著關(guān)鍵機(jī)制、撞擊材料和撞擊環(huán)境特征[1]等重要信息。通過對(duì)碰撞過程中的撞擊閃光圖、輻射特征曲線、等離子體[2]等的研究，可以揭示碰撞過程中的彈體撞擊姿態(tài)、彈靶成分、輻射演化過程等重要信息。這對(duì)于推進(jìn)深空探測研究、反導(dǎo)系統(tǒng)、目標(biāo)毀傷效果評(píng)價(jià)等領(lǐng)域都具有重要意義。

在過去的幾十年里，撞擊閃光已成功應(yīng)用于星體探測[3]、武器毀傷評(píng)估[4]、材料分析[5]等領(lǐng)域，美國國家航空航天局艾姆斯研究中心完成了“Tempel1”的深度碰撞實(shí)驗(yàn)，揭示了“Tempel1”彗星的物質(zhì)組成成分[3][6]。美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室開展了一系列武器撞擊產(chǎn)生可見光和紅外光實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)采集的不同波長光譜信號(hào)的分析，推斷出彈丸對(duì)目標(biāo)靶板的毀傷情況[4]。Lawrence等人分別使用二級(jí)、三級(jí)輕氣炮和Z裝置加載不同材質(zhì)的彈丸以不同速度碰撞鋁靶，測量了碰撞發(fā)光可見光及紅外光譜，并對(duì)連續(xù)和間斷光譜輻射的演化特征進(jìn)行了研究[7][8]。國內(nèi)的黃雪剛、石安華[9]等人提出一種空間碎片沖擊損傷評(píng)估方法，為提高軌道飛行器在空間碎片沖擊下的生存能力奠定基礎(chǔ)。薛一江[10]等人采用輕氣槍進(jìn)行了一系列沖擊閃光實(shí)驗(yàn)，揭示了沖擊閃光機(jī)制。杜雪飛[11]開展鋁彈丸撞擊鋁靶的高速碰撞實(shí)驗(yàn)，并對(duì)撞擊產(chǎn)生的氣化產(chǎn)物沖擊波的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行了測量，建立了適用于研究氣化產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)特性的理論模型。

董文樸[12]等人揭示了撞擊過程中出現(xiàn)的輻射強(qiáng)度峰值與靶室壓強(qiáng)的關(guān)系。司宇[13]等人對(duì)侵徹過程中選取高速攝影的最佳可見光波段進(jìn)行了研究測量。龔良飛[14]等對(duì)高速碰撞閃光光譜的輻射模型進(jìn)行了闡述。劉立恒[15]等人對(duì)黑索金（RDX）靶材超高速撞擊輻射特征進(jìn)行了研究，得到了不同靶材輻射特性之間的差異。蘇海鑫[16]等對(duì)靜態(tài)TNT爆炸閃光隨時(shí)間演化過程進(jìn)行了分析。

目前高速碰撞實(shí)驗(yàn)大都集中在室內(nèi)輕氣炮裝置上鋁、銅彈靶的碰撞角度、速度、靶式壓強(qiáng)對(duì)光譜輻射特征的影響，或彈丸撞擊非金屬靶材料時(shí)，靶板的揮發(fā)性及孔隙度對(duì)光譜輻射強(qiáng)度的衰減影響，缺少彈丸對(duì)不同金屬靶材的外場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。基于此，設(shè)計(jì)了瞬態(tài)閃光光譜采集測量系統(tǒng)，開展了鋼彈丸高速撞擊鈦合金靶、鋁合金靶及特鋼靶3種靶材的輻射特性實(shí)驗(yàn)，分析了彈丸撞擊不同靶材的特征譜線與輻射強(qiáng)度，為評(píng)估撞擊材料目標(biāo)毀傷特性提供依據(jù)。

2、瞬態(tài)光譜探測方案設(shè)計(jì)

2.1探測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)對(duì)于高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)大都集中在探測環(huán)境良好、實(shí)驗(yàn)條件可控的室內(nèi)輕氣炮裝置上，然而實(shí)際的外場實(shí)驗(yàn)環(huán)境干擾因素多、光照強(qiáng)，基于此提出一種適用于復(fù)雜外場環(huán)境下的瞬態(tài)光譜采集方案，設(shè)計(jì)原理如圖1所示。彈丸碰撞靶板經(jīng)過延時(shí)提供觸發(fā)信號(hào)，瞬態(tài)光譜采集測量系統(tǒng)開始測量。探測時(shí)，沖擊閃光通過光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)，當(dāng)光強(qiáng)過高時(shí)，由可調(diào)節(jié)光衰減器完成光強(qiáng)調(diào)節(jié)，再由觸發(fā)器控制光纖光譜儀進(jìn)行光譜信號(hào)采集，上位機(jī)軟件記錄瞬態(tài)光譜信息，最后利用專用軟件完成數(shù)據(jù)分析。

2.2瞄準(zhǔn)成像光路設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用的光纖纖芯很細(xì)，其可探測的范圍很小，所以要想探測到整個(gè)靶面，光譜信號(hào)就需要通過擴(kuò)束鏡頭來達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒓す夤庠疵闇?zhǔn)在需探測區(qū)域，通過光纖連接至擴(kuò)束鏡頭，根據(jù)光源信號(hào)瞄準(zhǔn)的光譜采集位置調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡頭的位置、焦距及光圈大小等參數(shù)。待激光光源瞄準(zhǔn)完畢后，穩(wěn)定擴(kuò)束鏡頭并接入光譜儀，完成光譜信號(hào)的采集。利用這種光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)，既可以保證采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離瞄準(zhǔn)，又可以擴(kuò)大可探測范圍。如圖2所示為光纖擴(kuò)束鏡頭結(jié)構(gòu)圖。

2.3實(shí)驗(yàn)條件

在相同碰撞角度下，采用14.5mm彈道槍，以1300~1500m/s速度分別撞擊不同金屬靶完成撞擊實(shí)驗(yàn)，探測距離為5米，采用USB4000光纖光譜儀捕捉瞬態(tài)光譜信號(hào)，波長探測范圍為350~900nm，實(shí)驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)表如表1所示。

其中a靶為鈦合金靶，b靶為鋁合金靶，c靶為特鋼靶。

3、數(shù)據(jù)分析

3.1撞擊閃光光譜

實(shí)驗(yàn)測得的鋼彈丸分別撞擊鈦合金靶、鋁合金靶及特鋼靶在350~900nm波段內(nèi)的撞擊光譜結(jié)果對(duì)比圖如圖3、4所示。

由圖3、4可知，碰撞光譜由線光譜和連續(xù)光譜組成。線光譜由撞擊過程中的能級(jí)躍遷產(chǎn)生，其中原子發(fā)射光譜呈現(xiàn)為單峰形態(tài)。在撞擊角度相同、速度相近的情況下，鋼彈丸撞擊鋁合金靶時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的AlO[1][17]分子發(fā)射帶，（圖中顏色帶），表明鋁原子與環(huán)境中的氧發(fā)生了燃燒現(xiàn)象，AlO也是相對(duì)原子發(fā)射增加的新產(chǎn)物，且鋁合金靶激發(fā)的強(qiáng)特征譜線明顯比鈦合金靶和特鋼靶豐富，而特鋼靶幾乎沒有激發(fā)出明顯的線狀譜線。

3.2光譜對(duì)比分析

將三種靶材的成分與獲得的輻射光譜進(jìn)行對(duì)應(yīng)，利用LIBS技術(shù)分別對(duì)三種靶材進(jìn)行本征光譜提取。如圖5為實(shí)驗(yàn)所用的鈦合金靶樣品的本征光譜，其中標(biāo)紅部分為高速碰撞實(shí)驗(yàn)2激發(fā)出的與本征光譜相同的元素成分，碰撞光譜中有明顯的鈉、鉀元素線光譜，根據(jù)金屬活動(dòng)性及元素所需的激發(fā)電位，鉀元素與鈉元素相比于鈦合金中的主要元素（Ti）及其他微量元素（V、Fe、Sn、Cr等）更活潑，所以更容易激發(fā)出來。具體如表2所示。（其中光強(qiáng)值為實(shí)驗(yàn)2測得的相對(duì)光強(qiáng)值，并非實(shí)際光強(qiáng)。）圖6為實(shí)驗(yàn)所用特鋼靶樣品的本征光譜，與實(shí)驗(yàn)6獲得的實(shí)測光譜圖對(duì)比分析，該實(shí)驗(yàn)條件下只激發(fā)出中心波長為438.27nm的Fe原子譜線（圖中標(biāo)紅部分），其他波段并沒有激發(fā)出明顯線狀譜。我們推測可能是因?yàn)樵?300~1500m/s的速度范圍內(nèi)，沒有足夠的外界能量，使特征元素激發(fā)出來；撞擊過程中產(chǎn)生的熱輻射強(qiáng)度高于原子躍遷輻射強(qiáng)度致使線性譜淹沒在連續(xù)譜中。此時(shí)，撞擊過程中的電子能級(jí)躍遷釋放光子的概率變小，線光譜強(qiáng)度大大減弱。后續(xù)將采用更高彈丸速度、更高靈敏度光纖光譜儀進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖7為實(shí)驗(yàn)樣品鋁合金靶本征光譜圖，經(jīng)過與實(shí)驗(yàn)3實(shí)測光譜圖對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)了AlⅡ譜線，AlⅡ的存在說明撞擊過程中鋁原子發(fā)生了電離，存在部分電離的等離子體，特征峰值元素對(duì)應(yīng)表如表3所示。(其中光強(qiáng)值為實(shí)驗(yàn)3測得的相對(duì)光強(qiáng)值。）

4、結(jié)論

在90°撞擊角、1300~1500m/s撞擊速度的實(shí)驗(yàn)條件下，通過測量分析鋼彈丸分別撞擊鈦合金靶、鋁合金靶、特鋼靶的350~900nm波段的光譜信號(hào)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：三種靶材相比，特鋼靶難以激發(fā)出特征譜線，其性能較穩(wěn)定，而鋁合金靶則更容易受激發(fā)，其在撞擊過程中產(chǎn)生的強(qiáng)輻射特征譜線最豐富，且在撞擊過程中產(chǎn)生了明顯的AlO分子發(fā)射帶，表明撞擊過程中Al元素發(fā)生了氧化反應(yīng)；在撞擊鈦合金靶及鋁合金靶過程中均發(fā)現(xiàn)了特征峰值明顯的NaⅠ、KⅠ特征譜線，表明靶板中的雜質(zhì)元素相比于主要元素更容易激發(fā)出來；從撞擊同一靶材的兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光譜曲線具有高度一致性，證明了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，且從撞擊光譜中可以分析出與撞擊材料有關(guān)的物質(zhì)成分。

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