趙新才，張崇玉，李 劍，劉寧文，肖正飛

(1.中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽(yáng) 621999; 2.中國(guó)工程物理研究院研究生院，北京 100088)

1 引 言

爆轟波對(duì)碰區(qū)的飛層運(yùn)動(dòng)是武器物理研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，涉及對(duì)碰區(qū)局部材料的沖擊或卸載熔化(與沖擊波構(gòu)型和強(qiáng)度相關(guān))、因材料壓縮和卸載路徑不同而造成的質(zhì)點(diǎn)間速度梯度和速度場(chǎng)分區(qū)以及材料的剪切流變、斷裂、破碎和飛散等現(xiàn)象[1-2]。目前的實(shí)驗(yàn)研究主要針對(duì)對(duì)碰行為晚期演化結(jié)果的外在特征，如對(duì)射流速度或空間密度等進(jìn)行測(cè)量[3-9]或數(shù)值模擬[10-11]，并未涉及物質(zhì)狀態(tài)和破碎彌散參數(shù)，例如質(zhì)點(diǎn)固/液狀態(tài)識(shí)別、破碎物質(zhì)的顆粒尺度分布及其演化、飛散物質(zhì)在飛層上的來(lái)源位置、從連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)開(kāi)始到形成的演化中間過(guò)程。對(duì)碰區(qū)運(yùn)動(dòng)凸起晚期診斷結(jié)果分析與飛層早期過(guò)程響應(yīng)等行為有密切關(guān)聯(lián)，但尚缺少對(duì)該類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確測(cè)量。因此，從精密物理實(shí)驗(yàn)研究的角度出發(fā)研究對(duì)碰區(qū)問(wèn)題，亟需針對(duì)對(duì)碰區(qū)動(dòng)載過(guò)程早期的相關(guān)機(jī)制和過(guò)程演化進(jìn)行研究，主要包括入射沖擊波及對(duì)碰后沖擊波構(gòu)形的變化，質(zhì)點(diǎn)速度場(chǎng)的形成和演化、因材料熔化導(dǎo)致的材料表面破碎。

本研究中，選取W、Cu等材料作為研究對(duì)象，采用超高速光電分幅相機(jī)，搭建精密實(shí)驗(yàn)診斷平臺(tái)，針對(duì)滑移爆轟對(duì)碰加載下對(duì)碰區(qū)入射沖擊波構(gòu)形及加載強(qiáng)度、對(duì)碰區(qū)局部材料質(zhì)點(diǎn)速度梯度的形成和熔化區(qū)分界等物理參數(shù)和早期行為進(jìn)行研究，并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析討論。

2 超高速光電分幅相機(jī)

超高速光電分幅相機(jī)為中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所自主研制的超高速攝影設(shè)備，具有攝影頻率高且可調(diào)、動(dòng)態(tài)范圍大和弱光探測(cè)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用于爆轟波與沖擊波物理、等離子體物理、加速器物理、慣性約束聚變、高溫等離子體和真空放電、激光與物質(zhì)相互作用、高電壓等研究領(lǐng)域。超高速光電分幅由物鏡、分光系統(tǒng)、門控型微通道板像增強(qiáng)器、耦合器、CCD相機(jī)、工控機(jī)、同步控制單元、快脈沖電源、光纖收發(fā)器等組成，其工作原理如圖1所示。拍攝目標(biāo)通過(guò)物鏡和分光系統(tǒng)成像在門控型微通道板上的陰極面，目標(biāo)像經(jīng)像增強(qiáng)器放大耦合到CCD芯片上，CCD相機(jī)輸出圖像通過(guò)光纖傳輸在計(jì)算機(jī)上顯示并進(jìn)行圖像處理。拍攝頻率和單幅曝光時(shí)間由精確同步控制器和MCP專用脈沖電源所設(shè)定。超高速光電分幅相機(jī)的主要指標(biāo)如下：(1) 光譜響應(yīng)范圍為380～850 nm；(2) 畫幅數(shù)為8幅；(3) 最高攝影頻率為2×108幅/秒；(4) 拍攝總長(zhǎng)度為10 ms，幅間隔在1 ns～1 ms范圍內(nèi)分檔可調(diào)；(5) 輸出圖像畫面像素為1 600×1 200；(6) 空間分辨率不小于36 線對(duì)/毫米。

圖1 超高速光電分幅相機(jī)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the high speed frame camera

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

對(duì)碰區(qū)實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。藥柱成分為JH-9005炸藥，尺寸為?32 mm×22 mm；飛片材料有W、Pb、Cu、Ce 4種，其厚度分別為1.5、2.0、2.5、3.3 mm，直徑均為36 mm；在藥柱與飛片之間安裝厚度為2 mm的鋁隔板；采用兩個(gè)BL21雷管在藥柱側(cè)面對(duì)稱位置上同時(shí)起爆，在炸藥中形成兩個(gè)相向傳播的爆轟波，爆轟波對(duì)碰后驅(qū)動(dòng)飛片運(yùn)動(dòng)。

圖2 對(duì)碰區(qū)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Experimental configuration of the collision region

為了消除空氣沖擊波發(fā)光對(duì)對(duì)碰區(qū)凸起形貌觀測(cè)的影響，在裝置中設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)立密封腔結(jié)構(gòu)，將飛片置于密封腔內(nèi)，其余部分(炸藥、雷管等)仍在大氣環(huán)境中。實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求密封腔真空度保持在50 Pa以下。密封腔面向相機(jī)一側(cè)采用K9光學(xué)玻璃窗口，為了增加透光率，消除反射光對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，在K9玻璃兩面均鍍有增透膜。

3.2 測(cè)試技術(shù)與實(shí)驗(yàn)布局

圖3 測(cè)試系統(tǒng)布局圖Fig.3 Layout of measurement system

采用超高速分幅攝影技術(shù)研究對(duì)碰區(qū)早期凸起行為的測(cè)試系統(tǒng)布局如圖3所示。由于實(shí)驗(yàn)裝置為柱殼結(jié)構(gòu)，因此沿裝置的軸線進(jìn)行拍攝。為了更清晰地觀察凸起行為，將裝置與光軸(拍攝方向)的夾角取為60°，并且在飛層表面放一標(biāo)尺，方便與對(duì)碰區(qū)凸起情況進(jìn)行比較。相機(jī)曝光時(shí)間選擇為100 ns，根據(jù)實(shí)驗(yàn)飛片材料的不同單獨(dú)設(shè)置幅間距，每發(fā)實(shí)驗(yàn)可獲得8幅圖像。照明光源采用兩個(gè)脈沖氙燈作為前照明光源，從不同角度均勻地照亮實(shí)驗(yàn)裝置的前表面。另外，由于實(shí)驗(yàn)要求的拍攝視場(chǎng)較小(?10 mm)，因此設(shè)計(jì)了與相機(jī)系統(tǒng)相匹配的光學(xué)放大系統(tǒng)，對(duì)視場(chǎng)進(jìn)行放大。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，存在由高壓放電而導(dǎo)致的電磁干擾，為防止超高速光電分幅相機(jī)在高電壓環(huán)境中出現(xiàn)誤觸發(fā)、時(shí)序不正常及圖像丟失等問(wèn)題，計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)信號(hào)均采用全光纖傳輸。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)均以炸藥起爆時(shí)刻為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，主要關(guān)注1 μs內(nèi)對(duì)碰區(qū)凸起的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。采用超高速光電分幅相機(jī)拍攝得到8個(gè)典型時(shí)刻W飛層對(duì)碰區(qū)早期凸起行為的演化圖像，如圖4所示。從圖4中可以看出：零時(shí)刻，兩個(gè)相向傳播的爆轟波恰好相遇；當(dāng)t=0.1 μs時(shí)，兩爆轟波發(fā)生碰撞，W飛層對(duì)碰區(qū)出現(xiàn)凸起；當(dāng)t=0.2 μs時(shí)，碰撞凸起已經(jīng)非常明顯，并且隨著時(shí)間推移，凸起高度也越來(lái)越高。另外，逐漸延長(zhǎng)后幾幅圖像的拍攝幅間距，得到了爆轟波對(duì)碰后波系反射、疊加及飛層破碎等過(guò)程。

圖4 鎢飛層對(duì)碰區(qū)早期凸起行為的演化圖像Fig.4 Evolution images of early bulge in collision region of W flyer

圖5為Cu作為飛層材料時(shí)對(duì)碰區(qū)早期凸起行為的演化圖像。相機(jī)曝光時(shí)間仍為100 ns，前7幅圖像的幅間距與W飛層實(shí)驗(yàn)相同，最后一幅圖像延時(shí)為3.5 μs。相對(duì)于W飛層實(shí)驗(yàn)，此發(fā)實(shí)驗(yàn)中，爆轟波傳播的速度稍慢，在零時(shí)刻還未相遇；當(dāng)t=0.1 μs時(shí)，兩爆轟波發(fā)生碰撞，飛層對(duì)碰區(qū)出現(xiàn)凸起現(xiàn)象。此外，在最后一幅圖像中，也清晰地觀察到飛層破碎的過(guò)程。對(duì)兩發(fā)次實(shí)驗(yàn)分析可知，Cu和W對(duì)碰區(qū)早期凸起行為基本一致，但是，Cu飛層中爆轟波對(duì)碰運(yùn)動(dòng)相對(duì)W飛層溫和，膨脹速度要小一些。Cu和W飛層對(duì)碰區(qū)凸起形狀均為細(xì)長(zhǎng)的射流狀，不過(guò)Cu飛層對(duì)碰區(qū)更加細(xì)膩，而W對(duì)碰區(qū)表面出現(xiàn)的微噴射顆粒相對(duì)較多。由此可見(jiàn)，材料的強(qiáng)度、熔點(diǎn)等性能與飛層對(duì)碰區(qū)凸起速度、形貌特征等有直接的關(guān)聯(lián)。對(duì)于Pb、Ce等飛層材料也進(jìn)行了超高速攝影實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖5 銅飛層對(duì)碰區(qū)早期凸起行為的演化圖像Fig.5 Evolution images of early bulge in collision region of Cu flyer

圖6 鉛飛層對(duì)碰區(qū)早期凸起行為的演化圖像Fig.6 Evolution images of early bulge in collision region of Pb flyer

圖7 鈰飛層對(duì)碰區(qū)早期凸起行為的演化圖像Fig.7 Evolution images of early bulge in collision region of Ce flyer

對(duì)比拍攝所得4種飛層材料對(duì)碰區(qū)早期凸起行為的圖像可以看出，對(duì)碰區(qū)凸起的運(yùn)動(dòng)速度從快到慢依次為W、Cu、Pb、Ce。兩爆轟波對(duì)碰后，各種材料的整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是一致的。飛層對(duì)碰區(qū)均出現(xiàn)了明顯的凸起現(xiàn)象，隨著時(shí)間的推移，對(duì)碰區(qū)凸起高度越來(lái)越高。本實(shí)驗(yàn)采用超高速光電相機(jī)進(jìn)行拍攝，獲取了清晰的對(duì)碰區(qū)早期凸起光學(xué)圖像，相對(duì)于傳統(tǒng)的光機(jī)式高速攝影技術(shù)，曝光時(shí)間更短，因此圖像的動(dòng)態(tài)模糊更小，圖像細(xì)節(jié)更清晰。當(dāng)然，單純通過(guò)光學(xué)照相獲取的圖像并不能完全反映對(duì)碰區(qū)早期凸起行為的全部特征，為了更全面地反映對(duì)碰區(qū)早期凸起的行為特征，還應(yīng)該增加X(jué)光照相(可以濾除密度較低的微噴射物質(zhì))、激光干涉測(cè)速等技術(shù)手段。

5 結(jié) 論

利用超高速光電分幅相機(jī)建立了精密實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選取性能基本已知的W、Pb、Cu、Ce等材料，對(duì)爆轟對(duì)碰加載下飛層對(duì)碰區(qū)運(yùn)動(dòng)所涉及的物理問(wèn)題(如飛層中的沖擊波構(gòu)形及加載強(qiáng)度、對(duì)碰區(qū)局部材料質(zhì)點(diǎn)速度梯度的形成和熔化區(qū)分界)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了飛層對(duì)碰區(qū)早期凸起行為的演化圖像，給出了沖擊波對(duì)碰前、后飛層表面變形的細(xì)節(jié)特征，實(shí)現(xiàn)了飛層表面狀態(tài)的精細(xì)辨識(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為對(duì)碰物理現(xiàn)象的量化分析和數(shù)值模擬提供參考。后續(xù)工作擬縮短超高速光電分幅相機(jī)拍攝的幅間距(納秒級(jí))，針對(duì)特定階段進(jìn)行高速照相，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)精度和辨識(shí)能力。

致謝:感謝胡海波研究員、湯鐵鋼研究員對(duì)實(shí)驗(yàn)工作的指導(dǎo)以及任青毅、丁明軍、李碧勇等老師在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中的協(xié)助和支持。

[1] 張崇玉,胡海波,李慶忠.柱面內(nèi)爆驅(qū)動(dòng)下鉛飛層對(duì)碰區(qū)動(dòng)載行為的實(shí)驗(yàn)研究 [J].高壓物理學(xué)報(bào),2013,27(6):884-888.

ZHANG C Y,HU H B,LI Q Z.Experimental study on dynamic behavior of the collision region of lead tube driven by cylinderical implosion [J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2013,27(6):884-888.

[2] 張崇玉,胡海波,李慶忠,等.爆轟波對(duì)碰驅(qū)動(dòng)下平面鉛飛層對(duì)碰區(qū)動(dòng)載行為實(shí)驗(yàn)研究 [J].高壓物理學(xué)報(bào),2009,23(4):283-287.

ZHANG C Y,HU H B,LI Q Z,et al.Experimental study on dynamic behavior of lead plate driven by two head-on colliding detonation waves [J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2009,23(4):283-287.

[3] SIGH M,SUNEJA H R,BOLA M S,et al.Dynamic tensile deformation and fracture of metal cylinders at high strain rates [J].Int J Impact Eng,2002,27(9):939-954.

[4] 陳 軍,孫承緯,蒲正美,等.爆轟波對(duì)碰區(qū)產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)金屬圓管的研究 [J].爆炸與沖擊,2003,23(5):442-447.

CHEN J,SUN C W,PU Z M,et al.Expansion of metallic tubes by detonation product behind two head-on colliding detonation waves [J].Explosion and Shock Waves,2003,23(5):442-447.

[5] 張崇玉,谷 巖,張世文,等.爆轟波對(duì)碰驅(qū)動(dòng)下金屬圓管膨脹變形特性研究 [J].爆炸與沖擊,2005,25(3):222-226.

ZHANG C Y,GU Y,ZHANG S W,et al.Study on expanding characteristic of steel tube driven by two head-on colliding detonation waves [J].Explosion and Shock Waves,2005,25(3):222-226.

[6] 張崇玉,谷 巖,李慶忠,等.爆轟波對(duì)碰驅(qū)動(dòng)下加環(huán)紫銅圓管對(duì)碰區(qū)變形特性研究 [J].爆炸與沖擊,2007,27(2):97-102.

ZHANG C Y,GU Y,LI Q Z,et al.Study on deformation characteristics of collision region of copper tube with guard ring driven by two head-on colliding detonation waves [J].Explosion and Shock Waves,2007,27(2):97-102.

[7] ZHIEMBETOV A K,MIKHAYLOV A L,SMIRNOV G S.Experimental study of explosive fragmentation of metals melts[C]//Furnish M D,Thadhani N N,Horie Y.Shock Compression of Condensed Matter-2001.New York:American Institute of Physics,2002:547-550.

[8] 胡海波,張崇玉,袁 帥,等.材料動(dòng)載失穩(wěn)特性表征與爆轟驅(qū)動(dòng)對(duì)碰凸起現(xiàn)象研究 [C]//中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì).北京,2007:63.

HU H B,ZHANG C Y,YUAN S,et al.Research on characterization of dynamic instability of materials and detonation driving on bulge phenomenon [C]//Conference of the Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics.Beijing,2007:63.

[9] NG H D,BOTROS B B,CHAO J,et al.Head-on collision of a detonation with a planar shock wave [J].Shock Waves,2006,15(5):341-352.

[10] 劉 軍,王言金,馮其京,等.爆轟驅(qū)動(dòng)飛層對(duì)碰凸起的數(shù)值模擬研究 [C]//第十六屆全國(guó)流體力學(xué)數(shù)值方法研討會(huì).昆明,2013:32.

LIU J,WANG Y J,FENG Q J,et al.Study on numerical simulation of detonation driven by fly colliding convex layer [C]//The 16th National Symposium on Fluid Mechanics Numerical Methods.Kunming,2013:32.

[11] 袁 帥,胡海波,張崇玉,等.應(yīng)用SPH方法對(duì)平板鉛飛層對(duì)碰凸起動(dòng)載行為的數(shù)值模擬研究 [J].高壓物理學(xué)報(bào),2010,24(5):383-387.

YUAN S,HU H B,ZHANG C Y,et al.Simulation on head on bulging dynamic behavior of lead flyer with SPH method [J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2010,24(5):383-387.