超高速碰撞产生电磁辐射的微波诊断

为了诊断超高速碰撞产生的电磁辐射,建立了超高速碰撞产生电磁辐射的实验和微波诊断系统。利用建立的微波诊断系统,进行了碰撞速度分别为4.60和4.66 km/s条件下超高速碰撞LY12铝靶产生电磁辐射的微波诊断,分析了实验中产生电磁辐射与靶板厚度及裂纹数的关系。实验结果表明:在实验条件相近的情况下,靶板厚度越小,产生的微波辐射强度越大 ;微波辐射功率正比于碰撞产生的微裂纹数。同时揭示了热激发产生电子和裂纹的存在为超高速碰撞产生电磁辐射的物理机制。     

超高速碰撞2A12铝板产生的热辐射演化特征实验研究

为研究超高速碰撞2A12铝板产生的热辐射演化特征,构建了超高速碰撞产生热辐射的测量系统。采用实验测量与理论计算相结合的方法,得到了相近碰撞速度(约3 km/s)、不同弹丸入射角度(弹道与靶板平面的夹角)下的闪光辐射强度、闪光辐射温度、光谱辐射能量、辐射源面积及发光效率的演化过程。结果表明:闪光辐射强度、闪光辐射温度及光谱辐射能量均呈现急剧上升后缓慢衰减的特征,并且随着弹丸入射角度的增加而减小;在闪光辐射温度达到峰值后辐射源面积继续上升;弹丸入射角度越小发光效率越高,实验中发光效率数量级为10~(-5)。     

超高速碰撞2A12铝靶过程中Al~+的光谱辐射特征

材料受到强冲击会产生闪光和等离子体效应。通过超高速碰撞实验并结合多种先进测试手段,推导出了适用于计算超高速碰撞产生等离子体电离度的沙哈(Saha)公式,为超高速碰撞过程中弹丸和靶板的物质组成分析提供了强有力的工具。基于二级轻气炮加载系统结合等离子体特征参量诊断的Triple Langmuir probe诊断系统和光谱辐射测量的ESA4000光谱仪系统,进行了3种不同碰撞速度条件下的超高速碰撞实验。实验结果表明,超高速碰撞2A12铝靶产生闪光辐射中包含Al+的光谱辐射;通过实验数据的解析进一步揭示了光谱强度与弹丸速度的关系。随着弹丸速度的增加,Al+的辐射光谱强度增大,由2A12铝激发的Al+光谱中小波长所对应谱线的辐射光谱强度比长波长所对应谱线的辐射光谱强度增加更快。关于2A12铝靶在超高速撞击载荷下产生铝离子的光谱辐射特征以及辐射温度研究在航天器防护空间碎片、导弹拦截、天体物理及深空探测领域具有重要的应用价值,此外,等离子体的特征参量测量和光谱辐射特征研究,对于在微观层面深刻揭示超高速碰撞现象具有重要的理论意义。     

超高速碰撞2A12铝板产生闪光辐射的空间演化规律

为了描述超高速碰撞2A12铝板产生闪光辐射的空间演化规律,利用瞬态光纤高温计测量系统并结合二级轻气炮加载系统,开展了弹丸以30°的入射角度和不同碰撞速度条件下的超高速撞击实验。基于闪光辐射强度和辐射温度的实验数据处理得到了超高速碰撞2A12铝板在撞击点附近产生的最大闪光辐射强度和最大闪光辐射温度,基于大量实验,建立了撞击点附近最大闪光辐射的空间演化模型。并结合Origin软件对实验所得数据的拟合,得到了最大闪光辐射强度和辐射温度随探测点到着靶点间距离变化的拟合函数关系式。实验结果还表明:在相近碰撞速度、相同碰撞角度条件下,在同一椭球面上不同探测点位置处的最大闪光辐射强度和最大闪光温度差别不大,验证了撞击产生的闪光辐射以近似椭球的形状向外膨胀,随着等离子体云的向外膨胀,离碰撞点越远产生的最大闪光辐射强度和最大闪光辐射温度均越小;在相同碰撞角度、不同碰撞速度条件下,在同一椭球面上不同探测点位置处的最大闪光辐射强度和最大闪光温度均随碰撞速度的增加而增大。该研究在导弹拦截、天体物理及深空探测领域具有重要的应用价值。     

弹丸形状对超高速撞击厚合金铝靶成坑影响的数值模拟

采用AUTODYN软件进行了弹丸形状对超高速正撞击厚合金铝靶成坑过程影响的数值模拟。给出了二维及三维模拟的结果。研究了在相同质量和速度的条件下,不同形状弹丸长径比、撞击方向等对超高速撞击厚合金铝靶所产生弹坑的损伤特性尺寸和成坑形状的影响,并与球形弹丸撞击所产生的坑进行了比较。结果表明：弹丸的长径比越大,弹丸的撞击成坑深度越大;非球弹丸的形状和撞击方向不同,成坑的形状和损伤的特征尺寸是不同的。     

超高速碰撞LY12铝靶产生闪光辐射的速度及角度效应

为了研究超高速碰撞产生闪光辐射的速度及角度效应,利用建立的瞬态光纤高温计测量系统结合二级轻气炮加载系统,进行了6种实验条件下的超高速碰撞实验。每组实验使用一组光纤探头,基于实验所获原始数据结合标定,通过Matlab编程处理得到了给定实验条件及光纤探头安装条件下,超高速碰撞LY12铝靶产生的闪光辐射与碰撞速度和弹丸入射角度的关系。实验结果表明,超高速碰撞LY12铝靶产生的闪光辐射在温度峰值出现前近似与碰撞速度和弹丸入射角度(弹道与靶板平面的夹角)正弦乘积的平方成正比;碰撞闪光辐射在温度峰值出现后近似与碰撞速度和弹丸入射角度正弦乘积的0.75次幂成正比,与理论推导结果基本吻合。     

超高速碰撞天然白云石板产生闪光的辐射温度

为研究超高速碰撞天然白云石板产生闪光温度衰减阶段的演化特征,利用二级轻气炮和瞬态光纤高温计,进行入射角度(与靶板平面的夹角)为45°、碰撞速度分别为1.9,4.2km/s两种条件下的超高速碰撞实验。根据冲击波理论,推导出超高速碰撞天然白云石板产生闪光温度衰减阶段的半理论半经验公式。分析结果表明,弹丸撞击靶板的速度越高,闪光辐射温度衰减的持续时间越长。闪光辐射温度衰减阶段的理论推导与实验数据一致性较好,闪光辐射温度衰减阶段的理论推导可对类似碰撞问题闪光辐射温度衰减阶段进行预估。     

超高速碰撞闪光强度与碰撞角度关系

为了测量超高速碰撞过程中产生的闪光现象,进而研究相近碰撞速度、不同入射角度(弹道与靶板平面的夹角)条件下超高速碰撞产生闪光在整个物理过程的闪光强度随时间的变化规律,设计了适用于瞬态闪光测量的光学高温计测量系统。通过二级轻气炮加载LY12球形铝弹丸,运用设计的瞬态高温计测量系统分别进行了入射角度为30°,45°,60°和90°相近碰撞速度条件下碰撞LY12铝靶产生闪光现象的测量。获得了平均碰撞闪光强度峰值与碰撞角度的关系,平均碰撞闪光强度峰值随碰撞角度的减小而增大,碰撞角度为30°时表现更为明显。     

超高速碰撞天然白云石板产生闪光的实验研究

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和二级轻气炮加载系统,进行了碰撞速度相近、弹丸入射角度分别为45°和60°(与靶板平面的夹角)时球状铝丸超高速碰撞天然白云石板产生闪光现象的实验测试。实验结果表明:当弹丸为LY12铝、靶板为20mm厚的天然白云石板,碰撞速度分别为1.86km/s和1.96km/s时,弹丸入射角度为45°时的闪光强度峰值大于弹丸入射角度为60°时的闪光强度峰值。     

超高速炸药加速器炮口弹丸速度的测量

炸药驱动器超高速(>3000m/s)弹丸速度的测量是超高速发生器及超高速碰撞现象研究等领域内一个必不可少的环节,本文在传统电测法及X光闪先照相技术的基础上,提出了改进的测量技术,使测量中尽量避免各种因素对测试的干扰,成功地获得了弹丸的炮口速度。实验表明,该技术为超高速驱动器及超高速撞击现象研究提供了一种可靠而方便的测试手段。     

铝球弹丸超高速斜撞击薄铝板特性研究

 利用2017铝合金球形弹丸超高速斜撞击2A12铝合金薄板,模拟空间碎片对航天器防护屏的超高速撞击作用。分析了铝合金薄板超高速斜撞击穿孔特性与弹丸滑弹返溅特性,建立了铝合金球形弹丸超高速斜撞击铝合金薄板的穿孔经验公式。弹丸撞击速度分别为2.58、3.56和4.31 km/s,撞击角度为10°~80°。实验结果表明：铝合金薄板超高速斜撞击椭圆穿孔尺寸与撞击速度和撞击角度有关,直径为3.97 mm的铝合金球形弹丸超高速斜撞击厚度为1 mm的铝合金薄板时,发生滑弹返溅的临界撞击角在30°~40°之间。最大滑弹返溅角随着撞击角的增大而逐渐减小,此时滑弹返溅碎片云的影响范围缩小,但破坏能力增强。弹丸撞击速度对铝合金薄板超高速斜撞击穿孔的椭圆度影响较小。     

铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布剩余速度分析

 采用高强纤维作为防护材料,是航天器空间碎片超高速撞击防护结构发展的趋势之一。超高速撞击损伤分析是空间碎片防护结构研究开发设计的重要环节,也是高压极端加载条件下材料动态响应分析的重要内容。玄武岩纤维是近年来受到人们关注的一种高强度、高模量陶瓷纤维。利用二级轻气炮进行了铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维编织布时的超高速撞击实验,根据弹丸碎片的闪光X射线阴影照片,分析了铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维编织布的撞击速度损失规律,根据实验结果拟合得到了铝合金弹丸的剩余速度方程,为分析玄武岩纤维材料对弹丸的撞击能量消耗提供了参考依据。     

内爆驱动式超高速发射技术的初步研究

为获得10 km/s左右的超高速发射能力,以内爆发射器为研究对象,利用AUTODYN 2D软件对口径为8 mm的内爆发射器进行有限元仿真分析,获得了典型状态下的弹丸发射速度。研制了口径为8 mm的内爆发射器,并在压缩管中填充5 MPa氦气进行实验,分别获得了0.55 g铝合金弹丸7.95 km/s和0.37 g镁合金弹丸10.28 km/s的发射速度,与有限元仿真计算结果的速度偏差分别为15.3%和3.7%。结果表明,设计的内爆发射器具备10 km/s发射能力,满足空间碎片撞击和防护研究的超高速发射需求。     

铝球弹丸高速斜撞击铝Whipple防护结构时后板的损伤特性

 为了研究空间碎片对航天器防护结构的高速斜撞击损伤特性,采用二级轻气炮发射铝球弹丸,对铝Whipple防护结构进行高速斜撞击实验。弹丸直径为3.97 mm,撞击速度为1.14～5.35 km/s,撞击角度为0°～70°。实验得到了铝Whipple防护结构在不同撞击速度区间的后板损伤模式,分析了后板撞击损伤及弹坑分布特性,建立了预测铝球弹丸高速斜撞击铝Whipple防护结构时后板弹坑分布的经验公式。结果表明：在大角度斜撞击条件下,对于一定的撞击速度,铝Whipple防护结构的后板弹坑分布会出现两个区域;弹丸的撞击破碎临界速度将影响后板损伤随撞击角的变化关系;对于铝Whipple防护结构,存在使后板撞击损伤最严重的临界撞击角。     

超高速撞击下钛基复合材料动力学行为研究

 基于已有的铝合金超高速撞击实验研究结果,采用动力分析软件,对铝球撞击铝板进行了数值模拟,验证了数值模拟结果的可靠性,进而对铝防护屏以及与铝防护屏质量相同的钛基复合材料（TMC）防护屏进行了5.52、7.00、和8.00 km/s速度下的超高速撞击模拟,分别对直径为5.02 mm的铝球以及质量等同于铝球的钛基复合材料球做了3种速度下撞击铝屏和钛基复合材料防护屏的数值模拟。通过数值模拟研究可以看出,随着撞击速度的增加,钛基复合材料防护屏的防护效果优于铝防护屏;速度不变,钛基复合材料防护屏防护钛基复合材料球撞击的效果好,铝防护屏防护铝球撞击的效果好。通过超高速撞击模型分析可知,钛基复合材料防护屏的防护效果优于铝防护屏。     

Multichannel fiber laser Doppler vibrometer studies of low momentum and hypervelocity impacts

A multichannel optical fiber laser Doppler vibrometer was demonstrated with the capability of making simultaneous non-contact measurements of impacts at 3 different locations. Two sets of measurements were performed, firstly using small ball bearings (1 mm–5.5 mm) falling under gravity and secondly using small projectiles (1 mm) fired from an extremely high velocity light gas gun (LGG) with speeds in the range 1 km/s–8 km/s. Determination of impact damage is important for industries such as aerospace, military and rail, where the effect of an impact on the structure can result in a major structural damage. To our knowledge the research reported here demonstrates the first trials of a multichannel fiber laser Doppler vibrometer being used to detect hypervelocity impacts.     

Performance of A 40 KJ, 60 cm long square-bore railgun

Abstract

A 60 cm long, 6 mm square bore railgun has recently been developed in pursuance of the impact fusion and related studies. Nylon projectiles (with 0.1–0.3 g mass), successfully accelerated using ～ 1 mm thick aluminum/copper metallic armatures, are recovered with front surface quite intact but slightly damaged on the back side. In the initial experiments so far, the final velocity of projectiles has been determined simply from their impact onto solid blocks and measuring the consequent displacement. The velocities of 0.2–0.5km/s so estimated, are generally in agreementwith the results expected on the basis of a simple zero-dimensional numerical simulation of the capacitor-bank driven railguns. Techniques to accurately monitor the in-bore and final projectile velocities are being tested and implemented. A maximum velocity of ～ 2 km/s for 0.5 g mass projectiles is expected after certain improvements in the system parameters.