超高速碰撞2A12鋁板產(chǎn)生的熱輻射演化特征實(shí)驗(yàn)研究

韓雅菲， 唐恩凌， 郭 凱， 賀麗萍

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110159)

1 引 言

超高速碰撞產(chǎn)生的熱輻射是超高速碰撞過(guò)程中的重要物理現(xiàn)象，通過(guò)分析超高速碰撞產(chǎn)生的熱輻射特征可以獲得初始碰撞條件、彈靶材料組分及碰撞造成的毀傷程度等信息。因此，研究超高速碰撞產(chǎn)生的熱輻射效應(yīng)在天體物理、深空探測(cè)以及空間碎片感知等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1-3]。

目前國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)超高速碰撞產(chǎn)生熱輻射特征的研究主要采用光電二級(jí)管、光譜儀等測(cè)量?jī)x器將閃光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)理論計(jì)算獲得閃光輻射特征各物理量。Carolyn[4]用硅硼玻璃彈丸撞擊浮石粉來(lái)模擬月球表面的撞擊事件，采用高速光電二極管測(cè)量了閃光輻射強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的閃光輻射強(qiáng)度整體演化趨勢(shì)一致；Baird[5]從理論上推導(dǎo)了閃光輻射強(qiáng)度與碰撞速度的關(guān)系；進(jìn)一步地，Goel[6]采用球狀鐵彈丸撞擊鎢、銅、太陽(yáng)能電池等7種不同靶材模擬微流星體對(duì)航天器的撞擊，得到了閃光輻射強(qiáng)度與質(zhì)量和速度的關(guān)系式；Thornhill[7]研究小組將鈦飛片加速至11 km/s撞擊鋁板，測(cè)量得到閃光輻射溫度范圍在1 500～2 500 K之間；而Collette[8]采用粒子加速器將鐵微粒加速到1～32 km/s撞擊鎢目標(biāo)，得到了閃光輻射溫度在2 500～5 000 K之間；Reinhart[9]測(cè)量了不同沖擊壓力下的閃光輻射溫度；Thomas[10]和Jaime[11]則對(duì)高速撞擊產(chǎn)生的閃光輪廓演化特征進(jìn)行了研究。

在國(guó)內(nèi)，石安華等[12]采用PIN型光電二極管測(cè)量了LY12鋁球撞擊LY12鋁板及銅板產(chǎn)生的波長(zhǎng)為574 nm和672.7 nm的光譜輻射強(qiáng)度，證明了撞擊銅板產(chǎn)生的光譜輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)大于撞擊鋁板產(chǎn)生的光譜輻射強(qiáng)度。唐恩凌[13-16]研究小組通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得到了閃光輻射強(qiáng)度與碰撞速度的關(guān)系，并建立了碰撞點(diǎn)附近最大閃光輻射強(qiáng)度及溫度的空間演化模型，驗(yàn)證了碰撞產(chǎn)生的閃光輻射強(qiáng)度以近似橢球的形狀向外膨脹。

現(xiàn)有的研究成果主要側(cè)重于對(duì)超高速碰撞產(chǎn)生的閃光輻射強(qiáng)度及溫度的討論，而對(duì)于其他熱輻射特征物理量的研究甚少；尤其對(duì)于金屬材料碰撞產(chǎn)生的熱輻射特征研究鮮見報(bào)道。為進(jìn)一步明確超高速碰撞產(chǎn)生熱輻射效應(yīng)的物理過(guò)程，本文利用自行構(gòu)建的超高速碰撞產(chǎn)生熱輻射測(cè)量系統(tǒng)開展了不同碰撞角度下鋁彈丸以超高速碰撞鋁板產(chǎn)生熱輻射的實(shí)驗(yàn)研究，得到了閃光輻射強(qiáng)度、閃光輻射溫度、輻射能量、輻射源面積以及發(fā)光效率的演化過(guò)程，綜合分析超高速碰撞誘發(fā)的熱輻射演化特征并揭示了碰撞角度與熱輻射演化特征各物理量的關(guān)聯(lián)規(guī)律。

2 熱輻射演化特征物理量

2.1 閃光譜輻射強(qiáng)度

當(dāng)物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)會(huì)向周圍空間發(fā)出熱輻射，輻射能與溫度及波長(zhǎng)有關(guān)。在熱輻射平衡的條件下，輻射能與波長(zhǎng)、溫度的關(guān)系滿足普朗克熱定律，即單位面積黑體(發(fā)射率ε=0)在半球方向、單位時(shí)間、單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)向半球空間輻射的能量即光譜的單色輻射強(qiáng)度滿足

式中：C1為第一輻射常數(shù)，3.742×10-16W·m2；C2為第二輻射常數(shù)，1.4388×10-2W·K；λ為波長(zhǎng)，m；T為黑體輻射溫度，K?？紤]實(shí)際物體(灰體)的表面發(fā)射率ε(0<ε<1)，則在可見光范圍(380 nm<λ<780 nm)內(nèi)灰體特定波長(zhǎng)的光譜輻射強(qiáng)度即閃光輻射強(qiáng)度Iλ為:

λ∈(380 nm,780 nm).

(2)

2.2 閃光譜輻射溫度

在可見光范圍內(nèi)，選取4個(gè)波長(zhǎng)λ1、λ2、λ3、λ4的閃光輻射強(qiáng)度I1、I2、I3、I4，依據(jù)公式(2)，同時(shí)假定不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的材料發(fā)射率相同，即ε1=ε2=ε3=ε4，建立有關(guān)閃光輻射溫度的擬合目標(biāo)函數(shù)G(T)，得到閃光輻射溫度T與波長(zhǎng)及閃光輻射強(qiáng)度的關(guān)系式[17]

(3)

2.3 輻射能量與輻射源面積

輻射源面積是指物體發(fā)射輻射能區(qū)域的表面積。由Stephen-Bolzman定律，單位時(shí)間內(nèi)黑體的單位表面積向半球空間輻射的全波長(zhǎng)能量Eb與輻射溫度T的四次方成正比:

(4)

其中：σ為Stephen-Bolzman常數(shù)，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)。若實(shí)際物體的輻射源面積為As，光譜輻射強(qiáng)度為Iλ，閃光輻射溫度為T，則輻射源面積As與熱輻射各物理量滿足[5]

對(duì)于實(shí)際物體(灰體)在可見光范圍內(nèi)輻射能量的計(jì)算，需考慮發(fā)射率并在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)積分。

2.4 發(fā)光效率

在可見光范圍內(nèi)，實(shí)際物體在閃光持續(xù)時(shí)間范圍內(nèi)的閃光輻射總能量E定義為:

(6)

則發(fā)光效率η為閃光輻射總能量與初始動(dòng)能的比值:

(7)

其中：m為彈丸質(zhì)量，kg；v為彈丸碰撞速度，km/s。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

3.1 測(cè)量系統(tǒng)

超高速碰撞產(chǎn)生的熱輻射測(cè)量系統(tǒng)主要由二級(jí)輕氣炮、多通道瞬態(tài)光纖高溫計(jì)、太陽(yáng)光模擬器(用于標(biāo)定)及示波器組成。采用二級(jí)輕氣炮加載彈丸，通過(guò)調(diào)整一二級(jí)氣室氣壓及改變靶板角度，實(shí)現(xiàn)彈丸以不同入射速度及入射角度撞擊靶板；磁測(cè)速裝置用于測(cè)量碰撞速度；真空泵將發(fā)射管和靶艙抽真空以消除氣體對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程的影響；光纖探頭放置于碰撞點(diǎn)正上方，與瞬態(tài)光纖高溫計(jì)相連接。當(dāng)碰撞閃光信號(hào)出現(xiàn)在光纖探頭的錐體探測(cè)區(qū)域時(shí)，閃光信號(hào)經(jīng)瞬態(tài)光纖高溫計(jì)中的光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)由示波器讀出；觸發(fā)系統(tǒng)與瞬態(tài)光纖高溫計(jì)及示波器連接，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量的同步性。

圖1 超高速碰撞產(chǎn)生熱輻射的演化特征測(cè)量系統(tǒng)

多通道瞬態(tài)光纖高溫計(jì)(型號(hào)FOP-8)的溫度測(cè)量范圍為20～10 000 K，實(shí)驗(yàn)選用400,500,600,700 nm四個(gè)通道進(jìn)行同步測(cè)量。

3.2 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定

碰撞閃光信號(hào)采集前，采用太陽(yáng)光模擬器作為標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)測(cè)量閃光電壓信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定。將光纖探頭置于太陽(yáng)光模擬器距離光源Ic處，標(biāo)準(zhǔn)光經(jīng)過(guò)高溫計(jì)中的光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，記錄標(biāo)定電壓hc和標(biāo)定負(fù)載電阻Rc。標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜輻射照度Nr(λ)由中國(guó)測(cè)量技術(shù)研究院標(biāo)定給出，波長(zhǎng)400,500,600,700 nm對(duì)應(yīng)的光譜輻射照度Nr(λ)為281.7，235.5，357.3，280.7 μW/(nm·cm2)。

測(cè)量閃光輻射強(qiáng)度時(shí)，將光纖探頭置于與靶板垂直并與碰撞點(diǎn)距離為lexp處，記錄實(shí)驗(yàn)負(fù)載電阻Rexp和hexp示波器測(cè)得閃光電壓值hexp，已知光纖孔徑角為α，則閃光輻射強(qiáng)度測(cè)量值Iexp為：

(8)

3.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中光纖探頭與碰撞點(diǎn)距離為60 mm；彈丸為球形鋁彈，直徑4.6 mm，質(zhì)量0.145 g；靶板材料為2A12鋁，幾何尺寸為長(zhǎng)×寬×厚=120 mm×120 mm×20 mm，經(jīng)測(cè)定其發(fā)射率為0.1(波長(zhǎng)為500 nm時(shí))；光纖孔徑角為α=37°，靶室真空度為100 Pa。表1為實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)及高溫計(jì)標(biāo)定值。

表1 實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)及高溫計(jì)標(biāo)定值

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 閃光輻射強(qiáng)度、輻射溫度演化過(guò)程

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到了鋁彈丸以相近碰撞速度、不同碰撞角度碰撞鋁靶產(chǎn)生的閃光輻射強(qiáng)度、閃光輻射溫度演化時(shí)程曲線。由測(cè)量的閃光電壓值hexp依據(jù)公式(8)計(jì)算得到閃光輻射強(qiáng)度，由不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的閃光輻射強(qiáng)度依據(jù)公式(3)計(jì)算得到閃光輻射溫度。圖2為No.1、No.2、No.3實(shí)驗(yàn)中四通道波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的閃光輻射強(qiáng)度演化時(shí)程曲線；圖3為No.1、No.2、No.3實(shí)驗(yàn)中最強(qiáng)閃光輻射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的時(shí)程曲線；圖4為No.1、No.2、No.3實(shí)驗(yàn)不同碰撞角度下的閃光輻射溫度時(shí)程曲線，實(shí)驗(yàn)記錄時(shí)間為觸發(fā)后40 μs。

由圖2、圖3閃光輻射強(qiáng)度演化曲線可以得出：No.1、No.2、No.3實(shí)驗(yàn)中不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的閃光輻射強(qiáng)度整體演化趨勢(shì)相同，均呈現(xiàn)快速上升緩慢衰減的特征；隨著碰撞角度的增加，閃光輻射強(qiáng)度峰值降低。由圖3閃光輻射強(qiáng)度演化曲線經(jīng)過(guò)平滑處理后得到30°、60°、90°碰撞角度下閃光輻射強(qiáng)度達(dá)到峰值所需時(shí)間分別為1.9,7,13.8 μs，衰減到1/2峰值所需時(shí)間分別為5.5,12.6,27.9 μs。

圖2 不同入射角度及波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的閃光輻射強(qiáng)度演化曲線。(a)30°;(b)60°;(c)90°。

圖3 不同入射角度下的閃光輻射強(qiáng)度最大值演化曲線

Fig.3 Evolutionary curves of maximum flash radiant intensity with different incident angles

因此，碰撞角度越大，閃光輻射強(qiáng)度達(dá)到峰值所需時(shí)間越長(zhǎng)，衰減過(guò)程越緩慢。閃光輻射溫度的演化趨勢(shì)與閃光輻射強(qiáng)度基本相同。

由維恩位移定律：閃光輻射強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)與溫度的乘積為一常數(shù)，即：λmT=2.8976×10-3m·K。因此，閃光輻射溫度越高，閃光輻射強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)越短。由圖2、圖3所示結(jié)果：當(dāng)碰撞角度為30°時(shí)閃光輻射溫度最高，閃光輻射強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為400 nm；當(dāng)碰撞角度為90°時(shí)閃光輻射溫度最低，閃光輻射強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為700 nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合維恩位移定律。

當(dāng)彈丸與靶板碰撞時(shí)，在碰撞點(diǎn)附近彈靶材料受到劇烈的沖擊壓縮瞬間融化并在拉伸波的作用下向外噴濺。當(dāng)彈丸垂直碰撞靶板時(shí)，由于彈丸的阻擋只有少量的噴濺物噴出并產(chǎn)生閃光；而當(dāng)彈丸傾斜碰撞(小于90°)靶板時(shí)，產(chǎn)生的大量噴濺物沿下彈道方向瞬間噴出。因此，碰撞角度越小，閃光輻射溫度越高，到達(dá)峰值的時(shí)間越短。同時(shí)，由于超高速碰撞產(chǎn)生的閃光呈現(xiàn)濺射發(fā)光的特征，因此閃光輻射強(qiáng)度及閃光輻射溫度曲線出現(xiàn)多次尖峰(圖4)。

圖4 不同碰撞角度下的閃光輻射溫度演化曲線

Fig.4 Evolutionary curves of flash radiant temperature with different impact angles

4.2 閃光輻射能量演化過(guò)程

對(duì)光譜輻射能量計(jì)算采用近似的方法，由測(cè)量得到400,500,600,700 nm波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的閃光輻射強(qiáng)度值分別為I1、I2、I3、I4，將380～480 nm范圍內(nèi)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的閃光輻射強(qiáng)度近似為I1，480～580 nm范圍內(nèi)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的閃光輻射強(qiáng)度近似為I2，580～680 nm范圍內(nèi)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的閃光輻射強(qiáng)度近似為I3，680～780 nm范圍內(nèi)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的閃光輻射強(qiáng)度近似為I4。

由材料的發(fā)射率依據(jù)公式(4)計(jì)算得到光譜輻射能量。圖5為單位面積(m2)不同碰撞角度條件下全譜及可見光范圍的光譜輻射能量理論值；圖6為不同碰撞角度條件下可見光與全譜的光譜輻射能量的比值。結(jié)果表明：光譜輻射能量的演化過(guò)程與閃光輻射溫度基本相同；可見光范圍內(nèi)的光譜輻射能量占全譜輻射能量的比值隨溫度的升高而增加。

圖7為由閃光輻射強(qiáng)度計(jì)算得到的實(shí)際輻射面積范圍內(nèi)閃光輻射能量的測(cè)量值。由于實(shí)際的輻射源面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單位面積(m2)，因此實(shí)驗(yàn)得到的閃光輻射能量小于單位輻射面積閃光輻射能量的理論計(jì)算結(jié)果。

圖5 不同碰撞角度下的全譜及可見光譜輻射能量理論值

Fig.5 Theoretical values of radiatiant energy of full spectra and visible spectra with different impact angles

圖6 不同碰撞角度下可見光與全譜輻射能量的比值

Fig.6 Ratio of radiatiant energy of visible spectra and full spectra and with different impact angles

圖7 不同碰撞角度下的可見光譜輻射能量測(cè)量值

Fig.7 Measured values of visible spectral radiatiant energy with different impact angles

4.3 輻射源面積演化過(guò)程

假定在碰撞閃光的過(guò)程中，輻射源面積始終不變，依據(jù)Stephen-Bolzman定律，閃光輻射溫度與閃光輻射能量的演化趨勢(shì)完全相同，而實(shí)際情況并非如此，因此輻射源面積是隨時(shí)間不斷變化的量。依據(jù)公式(5)由閃光輻射能量的測(cè)量值和單位輻射面積閃光輻射能量的理論計(jì)算結(jié)果估算輻射源面積，結(jié)果如圖8所示。圖9是碰撞角度為30°時(shí)閃光輻射溫度與輻射源面積的演化曲線對(duì)比圖。

圖8 不同碰撞角度下的輻射源面積演化曲線

Fig.8 Evolutionary curves of radiant source area with different impact angles

圖9 30°碰撞角度下閃光輻射溫度及輻射源面積演化曲線

Fig.9 Evolutionary curves of flash radiant temperature and radiant source area with 30° impact angle

彈丸與靶板碰撞的瞬間，彈丸的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成材料的內(nèi)能使部分材料氣化；彈丸的入射角度越小，彈丸與靶板的摩擦面積越大，產(chǎn)生的摩擦剪切熱越高，輻射源面積越大(圖8)；同時(shí)，強(qiáng)沖擊波向四周傳播使輻射源面積不斷增加。不同于閃光輻射溫度的演化過(guò)程，輻射源面積在閃光輻射溫度達(dá)到峰值后繼續(xù)緩慢增加，隨著彈靶碰撞產(chǎn)生的沖擊波在靶板中多次反射能量不斷衰減，輻射源面積達(dá)到峰值后緩慢減小(圖9)。

4.4 發(fā)光效率演化過(guò)程

圖10為不同碰撞角度下的發(fā)光效率演化曲線。發(fā)光效率隨閃光輻射能量的增加而增加，并逐漸趨于穩(wěn)定。同樣，彈丸的入射角度越小，彈靶產(chǎn)生的摩擦剪切熱越高，鋁原子吸收能量使核外電子躍遷并釋放光子的幾率越高，由此，發(fā)光效率隨入射角度的減小而增加。

圖10 不同碰撞角度下的發(fā)光效率演化曲線

Fig.10 Evolutionary curves of luminous efficiency with different impact angles

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：在測(cè)量時(shí)間范圍內(nèi)碰撞角度為30°時(shí)發(fā)光效率最大值為2.13×10-5，碰撞角度為90°時(shí)發(fā)光效率最大值為1.09×10-5。Carolyn[18]對(duì)不同孔隙率材料的發(fā)光效率進(jìn)行了研究，分別對(duì)孔隙率為43%的壓實(shí)浮石粉和孔隙率為90%的珍珠巖的發(fā)光效率進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明發(fā)光效率的數(shù)量級(jí)由10-5降至10-6，并得出了材料的孔隙率越大發(fā)光效率越低的結(jié)論。本文實(shí)驗(yàn)中采用的2A12鋁孔隙率極低，發(fā)光效率數(shù)量級(jí)為10-5，與文獻(xiàn)[18]實(shí)驗(yàn)結(jié)果在同一數(shù)量級(jí)。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)相近碰撞速度、不同碰撞角度下鋁彈丸超高速碰撞鋁板產(chǎn)生的熱輻射相關(guān)物理量的測(cè)量及計(jì)算，得到如下結(jié)論：

(1)相同碰撞條件下，不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的閃光輻射強(qiáng)度演化趨勢(shì)基本相同；相近碰撞速度、不同碰撞角度條件下閃光輻射強(qiáng)度與閃光輻射溫度的演化過(guò)程均呈現(xiàn)急劇上升達(dá)到峰值后緩慢衰減的特征；同時(shí)，隨著碰撞角度的增加，閃光輻射強(qiáng)度及閃光輻射溫度的峰值降低，二者達(dá)到峰值及衰減所需的時(shí)間增加。

(2)可見光譜輻射能量與全譜輻射能量的比值隨閃光輻射溫度的變化而變化；實(shí)驗(yàn)測(cè)量的可見光譜輻射能量與單位面積輻射能量的理論計(jì)算結(jié)果的比值決定了輻射源面積的大小。

(3)輻射源面積的演化過(guò)程與閃光輻射溫度顯著不同，當(dāng)閃光輻射溫度達(dá)到峰值時(shí)(小于10 μs)輻射源面積繼續(xù)增加，達(dá)到峰值(大于20 μs)后緩慢下降。

(4)發(fā)光效率隨著碰撞角度的增加而降低，碰撞角度為30°時(shí)發(fā)光效率最高，其最大值為10-5數(shù)量級(jí)。