超高速碰撞2024-T4铝靶产生的膨胀等离子体云的电磁特性

针对超高速碰撞产生的瞬态等离子体的特点,利用建立的扫描朗缪尔探针、朗缪尔三探针诊断系 统及线圈系统,测量了超高速碰撞喷出物产生的膨胀等离子体云中等离子体的特征参量和磁感应强度。在传 感器布局和方位角固定的前提下,进行了2种碰撞速度、相同入射角度条件下2024-T4铝弹丸超高速碰撞 2024-T4铝靶产生的膨胀等离子体云电磁特性的实验室测量。实验结果表明,碰撞产生的等离子体的平均电 子温度为0.4~0.9eV,电子密度在1012cm-3量级,线圈的磁感应强度幅值为10~20nT 。通过数据处理,获 得了2种实验条件下整个物理过程在给定探针、线圈位置处等离子体的电子温度、电子密度和磁感应强度与 碰撞速度的关系,并对扫描朗缪尔探针和朗缪尔三探针的测量结果进行了比较。     

超高速撞击厚靶过程的能量分配研究

超高速撞击过程的能量分配研究,对于解决动能撞击、发展导弹拦截技术、判定空间飞行器被撞事件及评估碰撞破坏程度具有重要的理论意义。本文在总结前人关于超高速撞击过程能量分配的基础上,将超高速撞击厚靶过程中弹丸的动能分配归纳为靶板的变形能、弹丸与靶板作用过程应力波传播使靶板内能的增加、撞击产生碎片的崩溅能和产生电磁辐射的辐射能,并结合理论推导、实验和数值模拟对撞击速度为2.61km/s且正碰撞2A12铝靶的能量分配进行了定量计算。研究结果表明：无论在弹坑的形貌、尺寸还是辐射温度等方面,实验测量结果、理论推导结果与数值模拟的结果均基本吻合。该研究成果在解决行驶中的车辆碰撞问题以及航空飞行器遭遇鸟撞等领域亦有重要的参考价值。     

超高速碰撞产生等离子体的毁伤特性研究

以热力学为基础,结合化学反应速率方程,推导得出描述超高速碰撞产生的等离子体电子密度与系统内能关系的物理方程组. 应用自行编写的二维光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH) 程序求解了此方程组,在模拟超高速碰撞过程中计算产生的等离子体,实现对超高速碰撞产生等离子体的数值模拟.进行铝球超高速碰撞双层铝板的数值模拟研究,给出与实验对比的结果. 统计前后两次碰撞产生等离子体的电量,发现碰撞较薄的前板产生了较少的电荷而一次碎片云对较厚后板的碰撞产生了大量的电荷. 交换前后两板的位置. 进行相同速度碰撞的模拟,分析结果发现一次碎片云碰撞后板产生的等离子体电量远小于第一次的模拟结果,而前板碰撞产生的等离子体电量要高于第一次模拟结果,由此可见,超高速碰撞产生等离子体的总电量不仅与弹丸的质量和碰撞速度有关,与薄板的厚度也有很大的关系,通过一次碎片云与第二层板碰撞可以产生远高于弹丸碰撞单层板产生的电量,可以提高等离子体产生效率,增强对航天器的电磁毁伤.      

INVESTIGATION OF PLASMA DAMAGE PROPERTIES GENERATED BY HYPERVELOCITY IMPACT

以热力学为基础,结合化学反应速率方程,推导得出描述超高速碰撞产生的等离子体电子密度与系统内能关系的物理方程组. 应用自行编写的二维光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH) 程序求解了此方程组,在模拟超高速碰撞过程中计算产生的等离子体,实现对超高速碰撞产生等离子体的数值模拟.进行铝球超高速碰撞双层铝板的数值模拟研究,给出与实验对比的结果. 统计前后两次碰撞产生等离子体的电量,发现碰撞较薄的前板产生了较少的电荷而一次碎片云对较厚后板的碰撞产生了大量的电荷. 交换前后两板的位置. 进行相同速度碰撞的模拟,分析结果发现一次碎片云碰撞后板产生的等离子体电量远小于第一次的模拟结果,而前板碰撞产生的等离子体电量要高于第一次模拟结果,由此可见,超高速碰撞产生等离子体的总电量不仅与弹丸的质量和碰撞速度有关,与薄板的厚度也有很大的关系,通过一次碎片云与第二层板碰撞可以产生远高于弹丸碰撞单层板产生的电量,可以提高等离子体产生效率,增强对航天器的电磁毁伤.     

超高速碰撞产生的电磁辐射

超高速碰撞产生的电磁辐射是固体物质在强冲击作用下的重要物理响应,在深空探测、航天器对空间碎片的防护设计、武器毁伤评估应用广泛。本文中概述了超高速碰撞产生的电磁辐射现象,总结了不同碰撞条件下,超高速碰撞产生微波和闪光的时频特性;从超高速碰撞产生材料破碎和产生等离子体两个方面,分析了超高速碰撞产生微波的辐射模型;归纳了超高速碰撞下的发光机理,并阐述了超高速碰撞产生连续光谱和线谱的辐射模型,指出了超高速碰撞产生电磁辐射研究存在的不足与发展趋势。     

超高速碰撞太阳电池阵诱发放电效应的实验研究

随着空间碎片的日益增多,在轨运行航天器的高压太阳电池阵受到空间碎片撞击的影响需要得到评估。通过二级轻气炮加载弹丸,应用Langmuir三探针和电流、电压探针对空间用硅太阳电池阵在不同碰撞速度下产生的放电效应进行了实验研究。结果表明,空间碎片撞击太阳电池阵会诱发产生放电现象,撞击过程产生的高浓度等离子体是放电现象产生的诱因,且碰撞速度越大,对太阳电池阵产生的损伤越严重。     

冲击压缩LY12铝向不同充气介质卸载后的光反射率实验研究

用二级氢气炮作为冲击压缩加载工具和多通道瞬态辐射高温计作为主要测量系统,对装有初始压力为6 MPa和1.2 MPa的氦气、氘气和氢氘混合气体冲击压缩等离子体的光谱幅亮度历史进行了测量。根据实测记录信号波形的有关特征量,拟合得到了冲击压缩LY12铝基板表面光反射率R。结果发现:受冲击LY12铝基板表面对340~800 nm波长向不同充气介质氦气、氘气和氢氘混合气体等离子体卸载后的光反射率为约0.4,为静态下铝基板反射率(约0.8)的一半。并对动态加载下反射率降低的机理进行了探讨。     

粒子入射角度对冷喷涂涂层形成的影响

采用有限元数值计算方法，研究冷喷涂材料改性过程中铜粒子与铜基体非垂直碰撞的变形行为。针对单个粒子相同入射速度不同入射角度的碰撞条件，探讨粒子与基体的结合强度、侵彻深度以及绝热剪切失稳的发生条件。结果表明:随着粒子入射角度的增大，侵彻深度逐渐减少，粒子与基体的结合强度逐渐减弱。发生绝热剪切失稳的条件是入射速度的法向分量大于碰撞过程的临界速度。     

甲烷气体的冲击化学反应流研究

用二级轻气炮加载技术将W89Mo9Ni1Fe1飞片加速到约5.0km/s,撞击封装有接近常态的甲烷气体的LY12铝靶。利用六通道高温计和示波器记录到冲击压缩的甲烷气体的光辐射历史曲线,并获得甲烷气体的冲击波速度与温度。利用一维Euler方程与化学反应方程的全流场耦合,采用甲烷体系的13组元40反应步的化学反应模型,并用3阶WENO数值格式对空间进行离散。为避免刚性过强,化学反应源项用点隐方法处理。由此得到了甲烷的冲击反应流场和波后热力学参数。通过比较,数值结果与实验结果符合较好。最后,解释了甲烷用作电探针保护气体的物理机制。     

钽和LY12铝的高压声速测量

应用两种不同的实验装置钽飞片/LY12铝缓冲层/LiF窗口和钽飞片/LiF窗口,采用逆向碰撞法测量了钽在110~131 GPa冲击压力下的纵波声速。实测的钽的声速结果与文献\[5\]报道的数据有较好的一致性。研究结果表明,作为缓冲层的LY12铝与LiF窗口的阻抗比较接近,使用缓冲层对钽的声速测量结果没有明显影响。实验测量同时获得了LY12铝在110 GPa和131 GPa冲击压力下的纵波声速。结合文献\[4\]的数据表明LY12铝在125～150 GPa冲击压力范围内,纵波声速随冲击压力的增加逐渐降低至体波声速。     

预应力对LY12铝弹性前驱波的影响

通过过盈配合的热装配方法对LY12铝合金平面样品施加了径向预应力,采用平面飞片撞击方法获得了预应力对弹性前驱波的影响。结果表明:当飞片均以500 m/s的速度撞击样品时,压缩预应变为0(无预应变)、964.5×10-6和1 886.0×10-6时,弹性前驱波幅值分别为87.56、95.24、121.03 m/s,压缩预应力(变)提高了LY12铝弹性前驱波幅值。结合实验的特点,探讨了对样品施加静态径向预应力的数值模拟方法,结果表明,上升沿(100 μs)较为缓慢的加载可以达到与准静态加载应力分布一样的结果。采用该数值模拟方法给出和验证了弹性前驱波随压缩预应力增加而上升的计算结果,与实验结果较为吻合。     

预应力对LY12铝层裂强度的影响

通过过盈配合的热装配方法和机械夹紧方法对LY12铝合金平面样品施加了径向预应变,采用平面飞片撞击方法获得了预应力对层裂特性的影响。结果表明:当飞片以500 m/s的速度撞击样品,预应变为0（无预应变）、25110-6、1 10810-6、1 88610-6时,层裂强度分别为1.130、0.935、0.755、0.643 GPa,初始预应力（变）明显降低了LY12铝层裂强度,证实了材料的层裂强度与初始应力状态密切相关,可为以后的非一维平面应变下的层裂研究提供参考。     

纵向冲击压缩下LY12铝合金圆环的塑性失稳

通过对铝合金圆环的纵向冲击压缩研究发现,一定条件下在试件的宏观塑性硬化阶段会出现明显的应力降过程。为揭示此应力降的发生机制,对润滑、细磨、粗磨3种端面粗糙条件下,外径、内径和高度比值为6:3:2的LY12铝合金圆环进行系统的Hopkinson压杆纵向冲击实验。结果表明:应力降主要发生在较大的应变和较高的应变率条件。进一步对实验样品的金相观察发现:应力降产生的内在机制为绝热剪切带的形成和发展,此现象是一种动态塑性失稳的过程。以上结果为金属材料在冲击条件下绝热剪切带产生的研究提供了参考。     

磁驱动准等熵压缩下LY12铝的强度测量

高压高应变率加载下材料的强度研究一直是冲击动力学的一个难题,目前动态载荷下材料的高压强度测量主要是基于平板撞击技术,冲击温升和应变率效应对材料强度的影响难以分离. 基于小型磁驱动加载装置CQ-4,开展了磁驱动准等熵压缩下LY12 铝的声速和强度测量的实验研究,讨论了考虑加载-卸载过程时磁驱动压缩实验的负载电极设计、实验样品设计、数据处理与分析等内容,并获得了12 GPa 压力范围沿加载-卸载路径的声速变化和峰值压力点的强度数据.      

Investigations to the effect of heating-rate on the mechanical properties of aluminum alloy LY12

Two classes of experiments were conducted with a Gleeble 1500 thermal–mechanical testing system to investigate the effect of heating-rate and its history on the mechanical behavior of aluminum alloy LY12. In the first class of experiment, specimens were heated at different heating-rates to prescribed temperatures and then stretched until fracture. It was found that the specimen heated with higher heating-rate possesses lower rupture strength. In the second class of experiment, the specimens were preloaded and then heated at different rates until fracture. It was found that the higher the heating-rate was, the lower the failure temperature would be. Metallographical analysis showed that there are more defects in the specimens undergoing higher heating-rate. It was conjectured that higher heating-rate may cause stronger local thermal inconsistency due to the heterogeneous nature of the material. It may then cause local residual microstress fields, which, together with external thermal–mechanical load, may result in the changes in the microstructure of the material, such as recovery, recrystallization, nucleation and growth of microdefects, accounting for the changes in the macroscopic mechanical properties including hardening/softening, damage and failure, etc. A numerical simulation was performed, in which the mechanisms of local thermal inconsistency and the effect of the influencing factors were investigated.     

Strip model plasticity analysis of mixed mode crack opening displacement in aluminum alloy LY12

Under mixed mode loading, the crack tip blunts and undergoes displacements in two directions, the normal and shear component corresponding to Mode I and Mode II loading, respectively. These local displacements are determined by the duplicated film method and used to analyze the behavior of mixed mode fracture in aluminum alloy LY12. The mixed mode resultant crack opening displacement (COD) at fracture initiation tends to increase more rapidly with increase of the Mode II shear component. The fracture initiation value of COD for pure Mode II loading is six (6) times greater than that for Mode 1 loading. The same applies to the maximum effective plastic strain crack growth near the crack front. Observed are two typical morphologies, the equal-axes dimples and the parabolic dimples with evidence of slippage as dominated, respectively, by Mode I and Mode II loading.     

大电流快速加热条件下LY12铝板动态变形的云纹干涉法实验研究

本文研究了中间带孔受拉铝板在大电流热冲击条件下的动态变形测试．在试件表面制作高温高频光栅，预加机械载荷后放入双光束云纹干涉光路中，用大电流加热器对试件进行快速加热，利用高速摄影机拍摄记录试件表面圆孔附近区域干涉条纹的变化情况，同时利用测温系统对试件的温度变化情况进行了测试记录．实验结果表明，用高速拍摄方法摄影热冲击条件下的云纹干涉条纹变化是可行的．