爆炸加載下金屬縫隙射流定量診斷實(shí)驗(yàn)研究*

童慧峰,李慶忠,谷 巖,張振濤,管永紅

(中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽(yáng) 621999)

爆炸加載下金屬縫隙射流定量診斷實(shí)驗(yàn)研究*

童慧峰,李慶忠,谷 巖,張振濤,管永紅

(中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽(yáng) 621999)

爆轟加載下金屬飛片縫隙處會(huì)有射流產(chǎn)生，金屬縫隙射流的噴射速度可達(dá)數(shù)千米/秒，而其射流線(xiàn)密度只有幾個(gè)mg/cm量級(jí)。采用高速攝影以及脈沖軟X光照相方法對(duì)縫隙射流進(jìn)行了動(dòng)態(tài)觀測(cè)和(半)定量測(cè)量，通過(guò)不同條件下的系列實(shí)驗(yàn)獲得了金屬射流噴射特性和射流質(zhì)量隨飛片材料、加載壓力、縫隙寬度以及加載方式等的變化規(guī)律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析擬合，初步給出了射流質(zhì)量隨各影響因素變化的經(jīng)驗(yàn)型定標(biāo)率模型。

爆炸力學(xué)；定標(biāo)率；爆炸加載；縫隙射流；射流質(zhì)量

爆轟(強(qiáng)沖擊)加載下金屬樣品表面會(huì)有微小顆粒物質(zhì)噴出，以大于樣品主體的速度運(yùn)動(dòng)，此即為微噴射現(xiàn)象。由于微噴射的武器物理需求背景，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的相關(guān)研究[1-7]，發(fā)展了針對(duì)微噴射等高速運(yùn)動(dòng)的微小質(zhì)量診斷實(shí)驗(yàn)技術(shù)，主要有Asay膜法、壓電晶體法、低能軟X光照相法等。

與微噴射相類(lèi)似的一種情況是，在爆轟加載下金屬飛片對(duì)接縫隙處會(huì)有集中的高速?lài)娚渖淞鳟a(chǎn)生，其形成機(jī)理與溝槽型微噴射形成機(jī)理相類(lèi)似，如圖1～2所示。沖擊波在樣品內(nèi)傳播，在沖擊波到達(dá)V型缺陷或狹縫邊界時(shí)因側(cè)向稀疏波的作用使得邊界處的粒子產(chǎn)生橫向速度分量ux，由于V型槽兩邊或狹縫兩邊的距離很近(幾微米到幾十微米)，而兩邊邊界處的粒子橫向速度是相反的，所以該部分粒子很快發(fā)生對(duì)碰從而產(chǎn)生金屬射流。

產(chǎn)生的金屬射流會(huì)影響飛片的表面狀態(tài)，對(duì)射流的噴射速度、噴射質(zhì)量等是武器物理研究關(guān)心的問(wèn)題，本文中將針對(duì)不同條件(加載壓力、縫隙寬度等)下的縫隙射流量開(kāi)展研究。

圖1 溝槽型微噴射形成示意圖Fig.1 Schematic of groove micro-jet generation

圖2 金屬縫隙射流形成示意圖Fig.2 Schematic of crack jet generation

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了便于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和X光照相診斷，設(shè)計(jì)采用平面波發(fā)生器起爆圓柱形主炸藥的平面正入射爆轟加載和側(cè)向面起爆平面滑移爆轟加載兩種加載方式裝置，分別如圖3(a)、(b)所示，用于對(duì)比研究加載方式對(duì)縫隙射流的影響。樣品飛片厚度為3 mm，采用兩片對(duì)接的方式獲得中間0.05 mm的間隙。為了去除爆轟產(chǎn)物對(duì)射流的影響，在炸藥和樣品飛片之間增加一層2 mm的鋼飛片(隔板)，這樣就將爆轟產(chǎn)物完全隔開(kāi)，從而確保觀測(cè)到的是飛片金屬射流。

針對(duì)平面正入射加載方式，分別采用4種不同成分的主炸藥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其爆壓分別為約19.1、24.5、27.0和35.0 GPa，用以研究不同加載壓力下縫隙射流的變化；平面滑移加載方式只針對(duì)35.0 GPa加載壓力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

圖3 實(shí)驗(yàn)加載裝置簡(jiǎn)易示意圖Fig.3 Schematic of experimental device under explosive load

1.2 測(cè)試技術(shù)

實(shí)驗(yàn)主要采用兩種測(cè)試手段，一種是光學(xué)高速攝影分幅照相，主要用于獲得噴射射流從出飛片表面開(kāi)始動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程的直觀圖像，雖然不能得到定量數(shù)據(jù)，但可以根據(jù)圖像給出射流的空間尺度分布及其隨時(shí)間的變化情況，并由此可以判斷出X光照相診斷的最佳時(shí)刻；另一種測(cè)試技術(shù)為低能軟X光照相，針對(duì)所要診斷的目標(biāo)客體----縫隙射流，其質(zhì)量只有約10 mg量級(jí)，要使射流在底片上清晰成像，只能使用較低能量的X光。本文中所有實(shí)驗(yàn)都是采用450 keV X光機(jī)進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 射流圖像

圖4 縫隙射流的典型動(dòng)態(tài)X光照片(0.05 mm間隙)Fig.4 Dynamic X-photograph of crack jet (crack width: 0.05 mm)

比較兩種加載壓力(19.1和35.0 GPa)下的圖像可以看到，隨著主炸藥爆轟壓力的增高，反映在X光圖像上的縫隙射流的尺寸和密度(黑密度)明顯增大，這說(shuō)明隨著加載壓力的升高，飛片對(duì)接縫隙處產(chǎn)生的噴射物質(zhì)的速度和質(zhì)量明顯增多。對(duì)比圖4(c)、(d)還可以發(fā)現(xiàn)，銅和鉛兩種材料的縫隙射流呈現(xiàn)出不同的特征：首先，銅飛片的射流呈柱形，頭部在空氣阻力作用下呈發(fā)散狀；而鉛飛片的射流呈現(xiàn)出明顯的分層結(jié)構(gòu)，從外形上看有如“蘑菇”形狀，射流頭部密度較大，呈半圓弧形狀，中間是密度稀薄的霧化區(qū)，射流根部密度最大；其次，隨著加載壓力的升高，銅飛片射流的寬度基本不變，但鉛飛片根部沿平行于飛片方向的尺寸明顯增大。分析認(rèn)為，這是由于銅的熔點(diǎn)較高(約1 100 K)，在幾十吉帕沖擊波作用下不會(huì)發(fā)生沖擊熔化，射流只來(lái)源于飛片間隙兩側(cè)在沖擊波作用下對(duì)碰形成的超前運(yùn)動(dòng)噴射，其范圍只限于飛片間隙兩側(cè)；而鉛的熔點(diǎn)較低(約350 K)，在約30 GPa以上沖擊壓力作用下會(huì)發(fā)生熔化，這樣在縫隙處除了間隙兩側(cè)對(duì)碰形成的射流外，由于材料熔化而產(chǎn)生的噴射物的速度低從而形成射流根部的高密度低速?lài)娚鋮^(qū)。并且由于加載壓力越高，材料熔化越顯著，所以射流根部的高密度區(qū)域也會(huì)越大。

圖5所示為滑移爆轟加載下的典型實(shí)驗(yàn)照片，圖中右側(cè)為起爆端面，滑移爆轟波從右向左傳播。圖5(a)中，從飛片表面可以明顯看到滑移爆轟波掃過(guò)區(qū)域和未到達(dá)區(qū)域表面狀態(tài)的差異，圖片中間為縫隙射流，其他爆轟波掃過(guò)區(qū)域有明顯的微噴射顆粒物質(zhì)。圖5(b)中，可以清晰地看到縫隙射流的形狀(沿縫隙方向疊加)及空間尺寸，還可以清晰看到滑移爆轟波陣面，這表明在照相時(shí)刻滑移爆轟波有較好的平面性。飛片表面在沖擊波到達(dá)位置發(fā)生“彎折”，相比于平面正入射加載，滑移爆轟加載下飛片表面要更為“干凈”，這是由于滑移爆轟加載的加載壓力較平面正入射加載明顯減小，飛片表面因沖擊熔化、微噴射等引起的噴射物的量也相應(yīng)明顯減少。

圖5 滑移爆轟加載分幅及X光實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.5 Framed photo and X-ray radiography photo of typical time under slipping explosive load

2.2 射流質(zhì)量

通過(guò)低能(450 keV)脈沖軟X光照相得到的特定時(shí)刻射流的X光照片，根據(jù)對(duì)比塊得到的不同厚度樣品所對(duì)應(yīng)的灰度值，經(jīng)過(guò)圖像處理可以得到沿縫隙方向疊加的射流質(zhì)量，其單位為mg。因?yàn)閄光照相成像的影響因素很多，使得經(jīng)圖像處理得到的射流質(zhì)量精度不是很高，所以通常認(rèn)為這樣處理得到的量化數(shù)據(jù)為(半)定量的結(jié)果。在本文中所有的實(shí)驗(yàn)其X光照相條件基本相同，圖像處理方法也相同，所以得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)該是可信的。

實(shí)驗(yàn)采用相同的裝置結(jié)構(gòu)及尺寸，一共針對(duì)兩種金屬材料(銅、鉛)、4種不同加載壓力(通過(guò)4種不同爆轟壓力的主炸藥實(shí)現(xiàn))、3種縫隙寬度(0.02、0.05、0.1 mm)以及2種加載方式(平面正入射加載、平面滑移爆轟加載)下的縫隙射流質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)量。

圖6所示為在平面正入射加載、0.05 mm縫隙寬度條件下射流質(zhì)量隨加載壓力的變化曲線(xiàn)。從圖中曲線(xiàn)的變化規(guī)律可以看到，兩種飛片材料隨加載壓力變化的規(guī)律不盡相同，在約20～40 GPa加載壓力范圍內(nèi)鉛材料的射流質(zhì)量增加速率是先增大而后減小的，而銅材料的增加速率則基本不變。

圖7所示為射流質(zhì)量隨縫隙寬度(在0.02～0.1 mm范圍內(nèi))的變化規(guī)律，從圖中可以看到，兩種飛片材料射流質(zhì)量隨縫隙寬度的變化規(guī)律基本相同。

圖6 射流質(zhì)量隨加載壓力變化曲線(xiàn)(0.05 mm間隙)Fig.6 Curves of jet mass varying with explosive load pressure (crack width: 0.05 mm)

圖7 射流質(zhì)量隨縫隙寬度變化關(guān)系Fig.7 Curves of jet mass varying with crack width

2.3 射流密度模型

2.2節(jié)給出的射流質(zhì)量為經(jīng)圖像處理后得到的數(shù)據(jù)，考慮到縫隙射流是沿縫隙長(zhǎng)度方向疊加的，射流質(zhì)量與縫隙長(zhǎng)度呈正比，為去除縫隙長(zhǎng)度的影響，定義射流質(zhì)量與縫隙長(zhǎng)度的比值即單位長(zhǎng)度的射流質(zhì)量為射流線(xiàn)密度，單位為mg/cm。根據(jù)已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，影響縫隙射流量變化的因素主要包括加載壓力、加載方式、縫隙寬度以及飛片材料性能等，所以該物理模型可寫(xiě)為：

(1)

式中：η為射流線(xiàn)密度，mg/cm；p為加載壓力，GPa；l為縫隙寬度，mm ；γ為加載方式指數(shù)(1表示平面爆轟加載，2表示滑移爆轟加載)；μ為射流密度系數(shù)(主要與材料特性相關(guān)，不同材料取不同系數(shù))。

分析射流量的變化規(guī)律，可以初步給出式(1)的具體表達(dá)式為：

(2)

式中：μ、m和n是與飛片材料相關(guān)的常數(shù)，為使方程式兩邊的量綱一致，射流系數(shù)μ是有量綱量。

對(duì)于銅，μ、m和n可分別取為0.25、1、2。

圖8給出了銅飛層在0.05 mm縫隙寬度條件下射流量隨加載壓力的變化規(guī)律，圖中曲線(xiàn)為經(jīng)驗(yàn)型模型，菱形黑點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從圖中可以看到：模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。

對(duì)于鉛，由于鉛的沖擊熔化特性使得鉛的射流量隨加載壓力的變化規(guī)律較為復(fù)雜。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng)加載壓力在27.0 GPa時(shí)射流量增長(zhǎng)規(guī)律發(fā)生了變化，所以給出了分段模型：

當(dāng)加載壓力p≤27.0 GPa時(shí)，μ、m和n可分別取為0.042、1/3、2；

當(dāng)加載壓力p>27.0 GPa時(shí)，μ、m和n可分別取為5.9、1/3、1/2。

可見(jiàn)，參數(shù)μ完全是數(shù)據(jù)擬合需要而得到的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，m、n則分別表示了射流量隨縫隙寬度和加載壓力的變化關(guān)系，對(duì)于銅：m=1表明射流量與縫隙寬度有線(xiàn)性變化關(guān)系，n=2表明射流量與加載壓力呈平方關(guān)系；對(duì)于鉛：m=1/3表明射流量與縫隙寬度有冪指數(shù)小于1的變化關(guān)系，而n的取值有2個(gè)，表明在不同的加載壓力區(qū)間射流量與加載壓力有冪指數(shù)分別大于和小于1的變化關(guān)系。

圖8(b)給出了鉛飛層在0.05 mm縫隙寬度下射流量隨加載壓力的變化規(guī)律，圖中曲線(xiàn)為經(jīng)驗(yàn)型模型，菱形黑點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖中可以看到：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑殡p段模型，模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合很好。

圖8 經(jīng)驗(yàn)型模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比(0.05 mm間隙)Fig.8 Empirical model compared with experimental data (crack width: 0.05 mm)

3 小 結(jié)

采用光學(xué)高速攝影分幅照相和低能軟X光照相測(cè)試技術(shù)，對(duì)爆轟加載下金屬飛片對(duì)接縫隙處產(chǎn)生的金屬射流進(jìn)行了觀測(cè)和(半)定量診斷測(cè)試，對(duì)比研究了鉛和銅兩種金屬材料飛片，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析表明：

(1) 飛片材料特性是影響縫隙射流噴射狀態(tài)和噴射質(zhì)量的最主要因素，低強(qiáng)度、低熔點(diǎn)的鉛材料其噴射質(zhì)量較銅飛片明顯要多；并且兩種材料其射流質(zhì)量隨加載壓力等的變化規(guī)律也不同，銅材料的變化規(guī)律較為簡(jiǎn)單，而鉛材料的變化規(guī)律則較為復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵灿∽C了這一點(diǎn)；

(2) 爆轟加載強(qiáng)度(壓力)、縫隙寬度以及加載方式等對(duì)射流質(zhì)量均有較大影響，射流質(zhì)量隨加載壓力升高而增大、隨縫隙寬度增加而增大，平面正沖擊加載下射流質(zhì)量較滑移爆轟加載大。

[1] 李作友,李澤仁,葉雁,等.微射流粒子場(chǎng)的同軸Fraunhofer全息測(cè)試[J].激光技術(shù),2004,28(1):45-47.

[2] Li Zuoyou, Li Zeren, Ye Yan, et al. Micro-jet particle field measurement using in-line Fraunhofer holography[J]. Laser Technology, 2004,28(1):45-47.

[3] 王雪敏,曾小勤,姚壽山,等.短路型石英傳感器的平面沖擊響應(yīng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(5):67-72. Wang Xuemin, Zeng Xiaoqing, Yao Shoushan, et al. Impact loading response of shorted circuit quartz transducer[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2006,25(5):67-72.

[4] 馬云,汪小松,李欣竹,等.Asay膜法測(cè)量微物質(zhì)噴射總質(zhì)量不確定度的初步實(shí)驗(yàn)研究[J].高壓物理學(xué)報(bào),2006,20(2):207-210. Ma Yun, Wang Xiaosong, Li Xinzhu, et al. Study of the uncertainty of the ejected mass measured by ASAY foil method[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2006,20(2):207-210.

[5] Vogan W S, Anderson W W, Hammerberg J E, et al. Piezoelectric characterization of ejecta from shocked tin surfaces[J]. Journal of Applied Physics, 2005,98:113508.

[6] Vogan W S, Anderson W W, Grover M, et al. A new spin on an old technology: Piezoelectric ejecta diagnostics for shock environments[C]∥Furnish M D, Elert M, Russell T P, et al. Shock Compression of Condensed Matter(SCCM)--2005 Proceedings (AIP Conference Proceedings)(Part Two). Melville, New York, 2006,845:1223-1226.

[7] Buttler W T, Zellner M B, Olson R T, et al. Dynamic comparisons of piezoelectric ejecta diagnostics[J]. Journal of Applied Physics, 2007,101:063547.

[8] Zellner M B, Vogan W M, Gray G T, et al. Surface preparation methods to enhance dynamic surface property measurements of shocked metal surfaces[J]. Journal of Applied Physics, 2008,103:083521.

[9] Asay J R. Material ejection from shock-loaded free surfaces of aluminum and lead[R]. Sandia Report, SAND76-0542, 1976.

[10] Phipps C R. Impulse coupling to targets in vacuum by KrF, HF, and CO2single-pulse lasers[J]. Journal of Applied Physics, 1988,64(3):1083.

(責(zé)任編輯 曾月蓉)

Experimental study of quantitative diagnosis of metal crack jet under explosive load

Tong Huifeng, Li Qingzhong, Gu Yan, Zhang Zhentao, Guan Yonghong

(InstituteofFluidPhysics,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China)

Under an explosive load a jet, composed by the local melted metal, would be generated and ejected from the crack of a metal plate, whose velocity may reach several kilometers per second while whose mass can only reach several milligrams per centimeter in magnitude. In the present work, high-speed photography and pulse soft X-ray radiography were used to diagnose the jet in the crack for its dynamic behavior and qualitative and quantitative measurement. A series of experiments were conducted considering different factors which include the plate material, the pressure and mode of the explosive load, the width of the crack, and the data of the jet properties and the jet mass were obtained. Based on the analysis of the experiment data, an empirical model was proposed which characterizes the jet mass varying with those different factors.

mechanics of explosion; scale law; explosive load; crack jet; jet mass

10.11883/1001-1455(2016)05-0590-06

2015-03-11； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-09-07

2015-09-07

童慧峰(1976— )，男，博士，副研究員，yhong1977@ustc.edu。

O389 <國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：13035 class="emphasis_bold"> 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：13035

A