超高速碰撞碎片云的四序列激光陰影照相

柳 森,謝愛民,黃 潔,宋 強,羅錦陽

(中國空氣動力研究與發展中心,四川綿陽 621000)

0 引 言

隨著太空垃圾種類和數量的日益增多,人們愈加關心這些空間碎片對航天器的破壞[1,3-4]。在地面進行超高速碰撞試驗是研究航天器抗空間碎片撞擊性能的主要方法之一,而對碰撞產生的碎片云發展過程進行記錄分析是其中重要研究內容。為此,在中國空氣動力研究與發展中心超高速所碰撞靶上發展了專用的超高速碰撞靶,開展了一系列超高速碰撞試驗研究。試驗中,彈丸以最高約7.3km/s的速度撞擊靶材,彈丸速度、碎片云形狀等被實時記錄供事后分析。

為了觀測彈丸碰撞靶材所產生碎片云的發展變化過程,國外往往使用高速攝影機、X光照相技術記錄整個碰撞過程的碎片云生成過程,但這些設備價格昂貴,研制周期長。為此,在2004年發展了單幅激光陰影照相技術[1],在解決了一系列衍射和干涉效應等影響后成功地獲得了清晰的碎片云照片。但該技術在每次碰撞試驗時只能獲得一幅碎片云陰影照片,而為了在每次試驗中獲得 2幅以上的序列照片,在2005年又發展了基于“雙光源空間分離技術”的兩序列激光陰影照相技術[5]。在采用小孔濾波、光束角放大和補償式濾光等技術,并克服了常規激光陰影照相系統容易產生的衍射[1]、干涉效應后,獲得了撞擊速度v=4.5km/s時清晰的兩序列碎片云圖像,見圖1,這些圖像的獲得為碰撞試驗的深入研究提供了重要的數據[6-7]。

圖1 碎片云兩序列陰影照片Fig.1 Two sequence laser shadowgraph of debris cloud

隨著超高速碰撞研究的發展,目前的兩序列激光陰影照相系統已滿足不了試驗需要,為了在有限的經費和時間前提下實現超高速攝影機的序列照相功能,以獲得超高速碰撞試驗中碎片云的發展過程或模型的飛行姿態變化,在現有兩序列激光陰影照相的基礎上又發展了四序列激光陰影照相系統,并在此基礎上將進一步發展八序列激光陰影照相系統。

筆者對四序列激光陰影照相系統的原理、調試及試驗結果等內容進行了描述。

1 四序列激光陰影照相技術

筆者發展的四序列激光陰影照相技術,是在前面描述的兩序列陰影照相基礎上,對光源系統及圖像接收端等進行了改進(見圖2),包括對光源系統的結構進行了優化設計、對圖像接收端的光路進行了重新設計。通過該技術實現了在一次試驗中清晰地獲得4個不同時刻同一目標的4幅碎片云(模型姿態)陰影照片,根據這些照片可得到碎片云的輪廓發展變化或模型撞擊靶材前的姿態變化過程,同時根據照片可準確算出碎片云發展或彈丸的飛行速度。

圖2 碎片云四序列照相系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of 4 sequence laser shadowgraph for debris cloud

1.1 序列照相要求

因整個碰撞過程持續時間只有幾百微秒,而碎片云的運行速度達到數千米每秒,要使照片上的碎片云很清晰,則每張照片的曝光時間不能太長(通常小于幾百納秒)。另外,要實現序列照相,一方面要滿足不同時刻穿過測試區域的光束方向、幾何形狀必須近似或相同,另一方面圖像的接收介質(見圖2的圖像接收端)在不同時刻必須要在空間分開,同時,序列的時間間隔必須可控制以滿足不同試驗狀態照相要求。

1.2 四序列間隔的控制和測量

四序列照相系統的光源使用4套獨立的激光光源(見圖2的光源系統),每套光源的閃光時間間隔由圖2中的閃光控制器進行控制,每個序列的最小間隔時間為1μ s。同時,每套光源的具體閃光時間可進行監測,監測的時間誤差小于1μ s(與數采系統的精度有關)。這樣,4幅照片的拍攝時間間隔可根據試驗需要進行事先設置,并根據這些照片就可較準確推算出相關的碰撞參數。

1.3 四序列陰影照片空間分離技術

為了實現不同時刻不同碎片云陰影照片在空間獨立分開,整個照相系統使用了多光源空間分離技術和偏振分光技術。

(1)多光源空間分離技術實現序列照相原理

4套激光光源光束進入陰影儀入口時發生空間的分離,不同光束在碎片云測試區域發生重合,同時在圖像接收端不同光束又在空間發生分離。

為了提高多束光在測試區域的重合性,不同光束在陰影儀的入口和出口處(見圖2)的空間分離度不能太大。

(2)偏振分光法實現四序列照相原理[5]

由于該激光束光為偏振光,通過偏振片時如果偏振片的光軸方向與激光束的偏振方向一致,則激光束全部通過,否則,激光束不能全部通過偏振片。圖3中偏振片1把自然光過濾為偏振光(該偏振光相當于激光光束),改變偏振片2的角度時,則原來偏振光中在偏振片2光軸方向的分量的光才可以通過偏振片2。當偏振片2的光軸角度和偏振光的振動方向垂直時,則在理論上所有的光都不能通過。根據此原理,使圖2中光源系統的激光束偏振方向不同,在像面接收端分別放置不同光軸方向的偏振片,這樣,在每套成像系統及像接受底片上只有某個偏振方向的光束,從而實現了不同序列時刻激光器閃光,而分別在不同底片上記錄被測對象的陰影圖像。

圖3 偏振分光示意圖Fig.3 Schematic diagram of polarization decomposition

(3)兩種分光技術的特點分析

利用光源空間分離的方法實現序列照相的優點是：不同光束相互干擾比較小,容易實現不同光路的分離;缺點是：光路結構復雜,不同光束穿過測速測試區域時有一定的偏差角度。

利用偏振技術實現序列照相的優點是：光路在測試區域的重合性高,以實現整個照相系統對同一目標進行成像;其缺點是偏振光束穿過系列光學器件后,因為光學器件表面存在的不足,導致部分激光束偏振方向發生改變,即使進入陰影儀入口的激光束偏振方向互相垂直,偏振片也不可能把這兩束光完全分開,而且4束激光不可能實現每兩束光的偏振方向互相垂直,這樣就會造成照片上出現不同個時刻的碎片云重疊圖像。

(4)兩種方法的結合實現四序列激光陰影照相

因為這兩種方法各有自己的特點,而把這兩種方法相結合,則一方面可滿足空間的分離角度減小,另一方面可滿足不同光束在空間進行完全分離。

在調試中需不斷反復改變空間分離夾角,并在像面接收端觀測4個像面的分離距離,以滿足在最小分離角度下實現4套光路在空間的分離。

另外,在每套光路中需要增加一套補償透鏡組,以在每組成像物鏡前面形成一個實焦點,同時設計與補償透鏡組及陰影儀光路相適應的配套成像物鏡組,以實現對測試區域的清晰成像。

1.4 提高成像質量采取的措施

系統使用激光光源,因其單色性及光學器件多,成像畫面很容易受到雜光、衍射和干涉效應的影響。

(1)消除雜光對成像畫面的干擾

每套激光發出的激光束在周圍都彌散著很多能量較低的雜光,每束光照射到透射光學器件后會發生多次反射透射而形成多個光斑(即使對光學器件鍍了增透膜),也會產生很多不期望的雜光,它們進入成像系統時要相互干擾,導致在底片上形成不同時刻的陰影圖像相互重疊,影響成像的質量。

解決辦法是：陰影儀擴束鏡使用正透鏡(具有實焦點),并在擴束鏡的焦點處放置直徑比較小的小孔,以濾去激光周圍的彌散光。同時在像面接收端各個實焦點處放置小孔,以濾掉光束經系列光學元件后反復反射、透射形成的雜散光,從而避免雜光對成像畫面的干擾。

(2)消除衍射、干涉效應及自發光的干擾

整個系統的光學元器件將近百件,而光學器件又主要分布在像面接收端,因光束在這些光學件表面多次反射和透射,容易形成多光束干涉條紋[9];任何一塊光學器件表面的不潔或光潔度受到破壞時都容易產生非期望的衍射條紋;同時,碰撞瞬間強烈的自發光也會影響成像畫面的清晰度。

解決的辦法是：調試中采用光路追跡法依次檢查每塊光學器件,一旦發現某塊光學件表面的不潔產生了衍射環時,必須更換該光學件或者旋轉該器件并仔細觀察光斑,直到無明顯的衍射環。在圖像接收端,必須仔細觀察光束通過某光學器件時是否有光束從其表面反射,再透射進入,一旦發現時可以改變某些光學器件的角度直到不發生反復的透射、反射、透射現象,用此方法可以防止多光束干涉條紋的發生。

為了保證碰撞瞬間強烈自發光不干擾測試區域成像,國外常見的方法是使用光電快門,以減小自發光對成像底片的曝光時間。但該快門結構復雜,價格比較昂貴。解決的辦法同碎片云單幅照相系統一樣[1]即使用補償式濾光技術消除自發光。

2 超高速碰撞碎片云成像與分析

在上述四序列激光陰影照相技術基礎上,在超高速碰撞靶上建立了四序列照相系統,圖4為光源發射端實物圖。成像系統采用雙組透鏡結構,并使用普通135型相機機身和ISO27航空膠片,成像畫幅尺寸約Φ 20mm。

圖4 四序列照相系統光源Fig.4 Light source of four sequence camera system

運用該照相系統分別進行了多次試驗,在試驗過程中獲得了多幅碎片云陰影照片。部分照片因為系統部分光學器件設置得不恰當,獲得的照片質量不理想,在經過對系統的反復調試后最終獲得了清晰的碎片云四序列激光陰影照片。

2.1 超高速碰撞靶

該靶由口徑7.6mm二級輕氣炮、測控系統、靶室/真空系統3部分組成。測控系統包括模型探測器、四序列照相系統、光輻射計。彈丸的速度從幾百米/秒至7.3km/s,測控系統的模型探測器可探測直徑小于1mm的彈丸,并為其它測試設備提供控制信號,例如該控制信號在提供四序列照相系統的閃光控制器一個信號后,閃光控制器就可以根據事前設置的序列間隔時間對激光器進行序列閃光控制。

2.2 試驗條件

試驗中靶室壓力100Pa,彈丸速度為(4～7.3) km/s,彈丸直徑約為5mm,靶材為鋁質Whipple屏。

2.3 試驗結果與分析

圖5中因為濾光措施不夠,碎片云被大量自發光掩蓋。在圖6中,因為在圖像接收端的小孔尺寸選擇不當,部分激光束被小孔遮擋,產生了大量衍射條紋,使得該照片無法使用。

圖5 受自發光干擾的碎片云陰影照片Fig.5 Shadowgraph of debris cloud disturbed by spontaneous light

圖6 受衍射干擾的碎片云陰影照片Fig.6 Shadowgraph of debris cloud disturbed by diffraction

在對該系統進行反復調試后,最終獲得了清晰的碎片云四序列激光陰影照片,如圖7所示。該試驗參數為：彈丸速度為4.62km/s,彈丸直徑4.98mm,靶厚2.3mm,靶材為鋁,屏間距為100mm。

圖7 碎片云四序列激光陰影照片Fig.7 Four sequence laser shadowgraph of debris cloud

因為4套激光光源的閃光脈寬時間都約為10ns,在該曝光時間內,碎片云的運動量小于5×10-3mm,因此在底片上圖像不會因碎片云的高速運動(即使速度達到10km/s)引起模糊。

從圖7(a)可以看出,在該時刻,碎片云比較集中,并首次發現反濺碎片云輪廓出現了劇烈彎曲現象,經過初步分析后認為,因為撞擊點沿靶材方向的碎片云速度較高,在某一時刻形成了圖7(a)所示的碎片云形狀。其它3幅圖中的碎片云在彈丸運動及沿靶材方向都得到了一定的展開。

通過圖像處理分析,可以得到碎片云在不同時刻沿彈丸飛行方向的空間位移量,并根據4序列時間間隔大小,獲得了圖7(a)和圖7(b)的碎片云在彈丸飛行方向上的平均速度為3.40km/s,圖7(b)和圖7(c)的碎片云在彈丸飛行方向上的平均速度為3.49km/s,圖7(c)和圖7(d)的碎片云在彈丸飛行方向上的平均速度為3.40km/s。由該數據表明,該類彈丸撞擊鋁靶后的碎片云速度仍舊很高,碎片云剛形成時可能在加速,在獲得圖7(c)和圖7(d)照片時刻之間的碎片云已經減速。同時由該數據表明,該類彈丸撞擊鋁靶后的碎片云速度仍舊很高,但比彈丸的速度都低。根據照片中碎片云的輪廓進行速度計算時的誤差來源主要有激光器閃光的時間和碎片云位移的計算。

根據該四序列碎片云照片,還可以得到碎片云部分特征點的速度以及輪廓的角度變化,其具體分析將在后續的文章中進行描述。

3 結 論

(1)在氣動中心超高速所的碰撞靶上建立了四序列激光陰影照相系統,并清晰地獲得了彈丸在速度v=4.63km/s時的碎片云陰影照片;

(2)該四序列照相系統最小間隔時間可以設置為1μ s,曝光時間為10ns,并很好地克服了衍射和干涉效應及自發光的影響,在一次試驗中可清晰地獲得4幅碎片云激光陰影照片,基本滿足碰撞試驗研究需要。同時,該系統也可用于其它超高速過程(如超高速飛行器高溫流場)的序列照相中;

(3)目前圖像采用膠片接收,下一步將使用高分辨率CCD進行接收。該系統預留8序列照相接口,并可以發展為8序列或更多序列激光陰影照相系統。

致謝：

在該系統的研制和調試過程中,部紹清、李毅、石安華、簡和祥、馬平、于哲峰等同志提出了許多寶貴的建議,同時,周智炫、羅慶、任磊生、王娣、何貴慎及碰撞課題組其他同志也參與了部分工作,在此表示衷心的感謝。

[1]柳森,謝愛民,黃潔,等.超高速碰撞碎片云激光陰影照相技術[J].流體力學實驗與測量,2005,19(2)：35-39.

[2]楊祖清,謝愛民,王慶歆.高焓瞬態球模型流場的紋影診斷[C]//第五屆全國流動顯示會議論文集,2002.

[3]柳森,李毅.空間碎片/流星彈丸對空間站的危害與對策[J].載人航天,2003,(3)：15-19.

[4]柳森,李毅,黃潔,謝愛民,等.用于數值仿真的Whipple屏超高速撞擊試驗結果[J].宇航學報,2005,26(4)：505-508.

[5]XIE Ai-min,LIU Sen,HUANG Jie.Sequence laser shadowgraph for the visualization of hypervelocity impact debris cloud[C]//8th International Symposium on Fluid Control,Measurement and Visualization,22-25 August, 2005.

[6]陳鯤等.艙外航天服抗空間碎片超高速撞擊技術[C]//第四界全國空間碎片專題研討會,2007.

[7]牛雯霞等.不銹鋼充氣壓力容器超高速碰撞試驗研究[C]//第四界全國空間碎片專題研討會,2007.

[8]楊祖清等.流動顯示技術[M].北京：國防工業出版社, 2002.

[9]梁銓廷.物理光學[M].北京：機械工業出版社,1986.