激光对金属壳密封装药点火的研究

 实验研究了重复频率脉冲YAG激光对金属壳密封装药点火以及由此造成的对结构破坏的机理和模式, 得到了金属壳内RDX、PETN炸药热爆炸或热爆燃所需激光作用时间与激光功率密度关系。初步的数值模拟结果表明, 炸药热点火所需激光作用时间与激光强度、光斑尺寸有明显的依赖关系。     

JB-9014钝感炸药冲击Hugoniot关系测量

采用火炮加载技术对JB-9014钝感炸药进行一维平面冲击实验。通过激光干涉测速仪测量冲击波到达炸药样品前、后表面的时刻以及炸药/镀膜氟化锂窗口界面粒子速度。利用冲击波到达炸药样品前、后表面的时刻差和炸药样品的厚度计算出冲击波在炸药样品中的传播速度,并结合炸药样品/氟化锂窗口接触面处粒子速度求出炸药样品冲击波后粒子速度,进而获得了炸药样品在3.1~9.7GPa压力范围内的冲击Hugoniot关系。对炸药样品中冲击波速度以及波后粒子速度进行不确定度分析,得到炸药样品中冲击波速度和波后粒子速度的合成标准不确定度约为0.54%和1.7%。将未反应炸药的冲击Hugoniot曲线和冲击波阵面的Rankine-Hugoniot关系进行联立得到冲击波后炸药样品内的压力和密度,进而拟合得到炸药样品在冲击绝热状态下沿(p,ρ)面的p-ρ曲线。     

金属隔层和空气间隙对钝感炸药冲击起爆的影响

为了确定空气间隙和金属隔层对冲击起爆的影响,采用火炮加载蓝宝石飞片冲击起爆Φ50 mm×30 mm的A型炸药,产生的冲击波通过空气间隙和金属隔层起爆Φ50 mm的台阶型B型炸药。在B型炸药的后界面粘贴镀膜氟化锂(LiF)窗口,使用光子多普勒测速仪(PDV)测量金属和B型炸药的后界面速度,进而计算得到金属和B型炸药的冲击波透射压力,再利用阻抗匹配计算得到金属和B型炸药的入射压力。结果表明:传爆药和金属隔层间的空气间隙使冲击压缩过程转变为准等熵压缩和冲击压缩两个过程,同时使冲击波的幅值减小;确定了金属隔层厚度为5 mm时冲击波压力的衰减范围;当使用A型炸药作为传爆药,空气间隙为0.3 mm,金属隔层厚度为5 mm时,B型炸药在7~10 mm之间开始反应。     

未反应JBO-9021炸药冲击雨贡纽曲线的研究

采用激光干涉测速技术和楔形炸药,对未反应钝感高能炸药JBO-9021的冲击雨贡纽曲线进行了实验研究。通过激光干涉测试技术对楔形炸药冲击波后不同位置的多点粒子速度进行测试,获得一组不同压力下未反应炸药中的波后粒子速度和冲击波速度,通过曲线拟合得到未反应炸药的冲击雨贡纽曲线。同时将未反应炸药的冲击雨贡纽曲线和冲击波阵面的Rankine-Hugoniot关系进行联立,获得未反应炸药的状态方程。     

高重复率脉冲放电金属蒸气激光中电泳对金属蒸气分布的影响

建立了一个理论模型描述了高重复率脉冲放电金属蒸气激光中的电泳动力学过程.得到了稳态和瞬态时金属蒸气密度扩散方程的解析表达式.分别计算了高重复率脉冲放电的He-Sr⁺和He-Cd⁺激光在不同时刻金属蒸气密度的轴向分布过程.结果表明，在放电开始后约2s内即可在阴极区建立起相当均匀的轴向金属蒸气密度分布，从而确保了电泳式金属蒸气激光的稳定输出特性. 关键词： 电泳 高重复率脉冲放电 轴向金属蒸气分布 金属蒸气激光     

装配垫层与间隙对爆轰加载下金属飞片运动特征的影响

采用激光干涉测速技术,研究了装配0.5mm厚泡沫垫层或空气间隙对RHT-901炸药爆轰加载下45钢飞片运动特征的影响,得到在两种装配条件下爆轰驱动飞片的自由面速度历史,对比分析了装配垫层与间隙之间的差异。实验研究发现,装配垫层和间隙对金属飞片运动特征的影响显著,主要包括速度起跳时刻、速度起跳幅值和末速度。对于炸药-金属间的装配垫层和间隙,垫层比间隙处的速度起跳时刻晚约30ns,起跳幅值高约13%,末速度低;对于金属-金属间的装配垫层和间隙,垫层处比间隙处的速度起跳时刻早约200ns,起跳幅值低约6%,末速度低。基于连续介质的应力波传播特性,对该影响规律进行了分析,通过估算爆轰产物向空气中飞散的速度,佐证了分析结果的合理性。     

单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的热效应研究

飞秒激光能够在极短时间内烧蚀炸药产生高温高压等离子体。可以利用飞秒激光对含能材料或含能元器件进行精密加工。深入认识飞秒激光烧蚀炸药过程中，炸药内部的热效应是发展飞秒激光加工炸药技术的基础。建立了单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的流固耦合计算模型，考虑了在高温高压等离子体和炸药自热反应的共同作用下，炸药内部的热效应。对飞秒激光烧蚀TNT炸药过程进行了流体力学数值模拟。计算结果表明:TNT炸药中未烧蚀区域产生了热效应，峰值温度高于TNT炸药的点火温度，但由于炸药内热效应区域极小，高温持续时间极短，因此炸药内温度迅速下降，没有发生点火现象。     

气流对飞秒激光加工炸药装药过程的热安全性影响分析

由于炸药具有热传导系数小、对温度极其敏感的特点,在使用多脉冲飞秒激光对其进行持续加工时,极有可能在炸药内形成热累积,从而导致点火、燃烧等危险事件的发生。为了降低激光加工材料过程中的热效应,人们普遍采取在材料加工表面施加气流的方法。为了研究加载气流条件下,炸药装药在飞秒激光作用下产生的烧蚀产物的运动规律以及炸药装药内部的温度变化,建立了加载气流条件下飞秒激光加工炸药装药过程的二维流固耦合计算模型,对在单侧、双侧不同入射角度的亚音速气流作用下,飞秒激光加工奥克托今（HMX）炸药装药的过程进行了数值模拟计算。计算结果表明：单侧气流会在炸药加工表面形成漩涡流,导致烧蚀气体产物在炸药表面做旋转运动,加重了烧蚀产物对炸药的热影响;双侧气流会在远离炸药加工表面的地方形成较大的漩涡流,从而使烧蚀气体产物迅速离开炸药加工表面,有效降低了炸药的温度,提高了飞秒激光加工炸药装药过程的安全性。     

激光引爆炸药和冲击加载铝板的数值研究

本文用一维反应流体力学程序SSS模拟研究PETN炸药的激光引爆过程。分别讨论了激光波形、窗口厚度的影响,认为激光功率密度在10~6～10~8W/cm^2时,其引爆机制主要为热机制;炸药受热膨胀是激光能量损耗的主要因素之一。此外,本文还讨论了激光引爆后,爆轰波与铝靶的相互作用。     

金属材料在中强度激光辐照下的相变速度研究

在找出了使金属材料只发生液化相变的激光功率密度的前提下，借用金属液态与金属固态某些相似的性质，通过类比，给出了金属液化材料对激光的吸收率. 经过分析，指出了直接解析金属相变速度的不可能性. 通过建立金属液态内的能量方程，在质量守恒的前提下，求得了激光辐照金属的相变速度. 通过讨论发现，影响金属相变速度的因素不仅有激光的强度，而且还有激光的圆频率. 关键词： 金属材料 中强度激光 辐照 相变 速度     

On the theory of explosive boiling of a transparent liquid on a laser-heated target

The possible manifestations of thermodynamical instability (explosive vaporisation) are discussed for different regimes of laser heating of the metal/transparent liquid system. The present calculations show that the explosive vaporisation in the metastable region may occur if the nucleation rate is high enough. This condition is achievable if the surface tension of the superheated liquid tends to zero near the spinodal. It is also shown that the dependence of the phase explosion time on laser intensity markedly changes its behaviour when the water temperature reaches the spinodal.     

系统变量对低温环境下超急速爆发沸腾的影响

本文以脉冲激光为热源,以高响应、高精度铂薄膜电阻为测温和加热元件,进行了低温工质(液氮)超急速爆发沸腾的实验研究。利用显微放大摄影系统对不同工况的沸腾过程进行了拍照,发现不同系统变量:如试件表面状况、激光参数对低温工质(液氮)超急速爆发沸腾行为有着重要的影响。     

Dynamic simulation on the temperature field of laser micro-patterning metal in the liquid

To further understand the mechanism of laser electrochemical etching metal, it is necessary to describe the temperature field induced by laser heating metal at the liquid–solid interfaces. For solving the complex problem of laser heating a metal immersed in a liquid, the thermal phenomena adjacent to the metal–liquid interface, which was induced by means of irradiating a stainless steel sample immersed in a liquid with an 808 nm semiconductor laser beam, were numerically investigated. Based on a simplified method to solve the transient explosive boiling when a continuous wave (CW) laser heating a material in a liquid, a commercial finite element analysis (FEA) code (ABAQUS) was used to directly solve and model the transient temperature fields of laser micro-patterning metal in a liquid. As known from simulation results, the simulation of laser scanning indicates that it realizes the effect of pulse laser heating owing to laser moving and liquid cooling. Moreover, laser scanning achieves the pattern at a high resolution. At the same time, the experiment phenomena also proved that the simulation results were reasonable.     

激光辐照金属/炸药复合介质温度场的数值模拟

 当激光辐照金属/炸药复合介质外表面时,在变物性及界面有接触热阻的条件下,用二维线性瞬态导焓方程,数值计算了介质内部温度场时空分布。作为特例,将常物性及无接触热阻下的数值解与相同条件下的二维线性瞬态导热方程的解析解相比较,结果表明数值法的计算程序及结果是可信的。     

Atomic dynamics of explosive boiling of liquid-argon films

Using molecular-dynamics simulation, we study the explosive boiling of thin liquid-argon films adsorbed on a metal surface. This process might be induced by heating the metal substrate by an ultra-fast laser. Upon sudden heating of the metal to temperatures well beyond the critical temperature of Ar, the film starts boiling. While thin films, with thickness below seven monolayers, fragment completely, in larger films only the near-surface Ar layers vaporize. The resulting vapor pressure drives the expansion of the remaining liquid overlayers. By monitoring the space and time dependence of the hydrodynamic variables density, pressure, and temperature, as well as the local thermodynamic state in the Ar sample, we obtain a detailed microscopic picture of the explosive boiling process. Finally, as a result of the fragmentation process, the abundance distribution of the clusters formed in the expansion follows a power-law distribution for cluster sizes m ≲ 10.     

纳秒脉冲激光对金属丝电爆炸过程的瞬态测量方法研究

金属丝电爆炸是获取金属纳米级粉粒的有效途径,电爆炸的演绎过程直接影响金属粉颗粒的尺度范围。采用纳秒级脉冲激光对爆炸过程的瞬态进行观察,以激光干涉条纹为背景,依据电爆炸过程中,对条纹的扰动获取具有清晰边缘的爆炸区图像;再根据激光穿过爆炸云团的透过率计算出不同时刻粉尘体浓度的三维分布图。测量结果表明:通电后0.5 μs,金属丝直径由0.3 mm扩展为4.7 mm, 直到18 μs时扩展为28 mm,而粒子的最大浓度由3×1021/cm3减小为1.1×1020/cm3。整个扩展过程中,粒子浓度沿径向呈现多个环带的分布形态。     

等离子屏蔽效应下飞秒激光照射金箔的分子动力学模拟

采用耦合了双温度模型的分子动力学方法对飞秒激光烧蚀金箔的传热过程进行了模拟研究,考虑了非傅里叶效应,探究了不同激光能流密度下等离子体羽流的屏蔽作用.根据密度分布将激光烧蚀过程中的金箔划分为过热液体层、熔融液体层和固体层,并比较了不同激光能量密度下过热液体层表面发生的相爆炸沸腾现象以及表面温度的变化情况.结果表明,随着激光能量密度的增大,等离子体的屏蔽比例几乎呈线性增大.在激光的烧蚀过程中,金箔的上表面最先经历液体层以及过热液体层,并且随着时间的推移,液体层和过热液体层逐渐向金箔底部移动.过热液体层发生体积移除的相爆炸沸腾是金箔烧蚀的主要方式,随着激光能量的增大,爆炸沸腾发生的时间提前,并且结束的时间相应延后,持续时间变长.     

激光辐照金属板材的温升和升温率

从光子与声子相互作用机制出发,导出金属材料的能量吸收速度;解热传导方程,求出激光辐照下金属板材料的温度分布;讨论了激光辐照时间、材料性质等对金属板材温升和升温率的影响。