超高速撞擊RDX光輻射特征測量試驗

劉立恒，馬兆俠，杜雪飛，柳 森，范曉檣，石安華

(1.國防科技大學 空天科學學院, 長沙 410000; 2.中國空氣動力研究與發展中心 超高速碰撞研究中心, 四川 綿陽 621000)

1 引言

超高速撞擊光輻射現象是超高速撞擊過程中的重要物理現象，包含了撞擊材料、撞擊參數、撞擊效果等信息。超高速撞擊典型靶材的光輻射特性研究，在撞擊輻射模型建立、目標毀傷評估等方面具有重要的應用價值。

國外從20世紀60年代起，就開始了對超高速撞擊輻射特性的研究，加拿大計算裝置有限責任公司(computing devices of canada ltd)、美國空軍阿諾德工程發展中心(arnold engineering development center)、美國國家航空航天局艾姆斯研究中心(NASA’s ames research center)、德國弗勞恩霍夫協會瞬時動態研究所(fraunhofer institute for high-speed dynamics,ernst-mach-institut)等單位都在彈道靶上開展了大量的超高速撞擊光輻射測量試驗。此外，2005年7月4日，美國國家航空航天局還在空間開展了超高速撞擊光輻射測量試驗，用1個370 kg的撞擊器以10.3 km/s的速度撞擊了坦普爾1號彗星，通過航天器上的探測器,測量了光輻射圖像及光輻射強度的時間歷程數據，并與實驗室撞擊試驗數據對比分析了坦普爾1號彗星的組成與結構。

針對目標毀傷程度評估，國外也開展了大量研究工作。2004年，美國陸軍研究實驗室(U.S.army research laboratory)開展了一系列室內、室外超高速撞擊可見光及紅外輻射特征試驗，室內試驗主要是建立超高速撞擊輻射數據庫，室外試驗則是測量潛在對手現役裝備的撞擊輻射數據。2006年，R.J.Lawrence等在二級、三級輕氣炮和磁驅動飛行Z加速器上，利用光譜儀和條紋相機測量了彈丸6～25 km/s速度撞擊鋁、石英等材料的時間分辨可見光及紅外光譜輻射，證實了通過光譜演化特征遠程分析導彈防御交戰的可行性和可靠性。2008年，美國桑迪亞國家實驗室(sandia national laboratories)在彈道靶上開展了彈丸以5～11 km/s速度超高速撞擊鋁板靶材、鈰板靶材和炸藥靶材的試驗，利用光學多通道分析儀測量了300～1 500 nm的光譜輻射強度，并估算了撞擊產物的溫度。2011年，美國賴特-帕特森空軍基地(wright-patterson air force base)開展了超高速撞擊高速攝影及輻射強度測量試驗，對光輻射閃光輪廓演化過程進行了研究。

國內對超高速撞擊輻射的研究起步較晚，試驗主要在彈道靶上開展，撞擊靶材以鋁板為主，研究主要集中在中國空氣動力研究與發展中心、沈陽理工大學、北京理工大學等單位。石安華、馬兆俠、唐恩凌、張慶明等在彈道靶上開展了大量鋁球超高速撞擊鋁板的輻射特性試驗。

為開展動能毀傷特性評估，需要不同靶材的超高速撞擊輻射數據，含炸藥靶材的超高速撞擊輻射試驗國內還未見公開報道。基于此，開展了鋁球超高速撞擊裸裝RDX、盒裝RDX和空藥盒等3種靶材的輻射特性試驗，測量了輻射強度變化，分析了撞擊產物溫度以及撞擊速度、撞擊靶材、起爆與否與輻射強度之間的關系。

2 試驗方法

2.1 試驗系統

試驗在中國空氣動力研究與發展中心超高速碰撞靶上進行，試驗系統主要由超高速碰撞靶、測速與控制系統、輻射強度測量系統等組成，試驗布置如圖1所示。

圖1 試驗布置示意圖Fig.1 Diagram of test layout

超高速碰撞靶

超高速碰撞靶主要由二級輕氣炮、爆震段、試驗段組成。二級輕氣炮利用火藥爆炸破膜驅動活塞，并由活塞壓縮氫氣形成高壓，再由高壓氫氣破膜驅動試驗模型發射至預定的速度。爆震段內安裝分離板實現試驗模型與彈托的分離。試驗段內安裝靶材開展撞擊試驗，試驗段上安裝各類測試系統實現對試驗過程的測量，試驗段上連接真空泵實現不同壓力環境的模擬。

測速與控制系統

測速與控制系統由2個測速站和1套控制系統組成。測速站在靶室一側發射片狀激光，另一側探測激光信號，試驗模型飛過時對片狀激光部分遮擋，導致接收的激光信號幅值發生變化，從而檢測到試驗模型到達測速站的時刻。控制系統通過兩測速站間的距離除以試驗模型飛過兩站所用的時間，計算試驗模型的平均速度，通過測速站2到靶材的距離和試驗模型平均速度測算撞擊時刻，并延時提供觸發信號，觸發輻射強度測量系統開始測量。

輻射強度測量系統

輻射強度測量系統由輻射計和數據采集系統組成。輻射計以光電倍增管為探測器，光譜響應波長為185～850 nm，輻射計前加裝帶外深截止濾光片(200～1 000 nm OD4以上)測量透過波段的輻射強度，試驗中使用8個通道測量8個波段的輻射強度，各通道中心波長、帶寬Δ(=1，2，…，8)如表1所示，其中通道1包含鋁的308.2 nm和309.3 nm特征譜線，通道3包含鋁的394.4 nm和396.15 nm特征譜線。

表1 通道參數(nm)Table 1 Measure channel parameters

數據采集系統在觸發信號到達后，開始按照預定時間長度采集8個通道的輻射計輸出電壓信號。

為增加輻射計測量視場，在試驗段上加裝了延長筒，使撞擊點到光纖接收端面距離達到2.8 m。輻射計通過光纖接收撞擊光輻射進行測量，光纖接收端面法線與靶材軸線(也是二級輕氣炮軸線)垂直，光纖芯徑600 μm、數值孔徑為0.22，受試驗段450 mm窗口限制，輻射計可用視場角為16°，在靶材軸線處視場為約780 mm的圓，圖1中水平虛線即為圓的直徑。

2.2 試驗模型及靶材

試驗模型為5 mm 2A12鋁球，試驗靶材有以下3種：

1) 空藥盒：盒內61 mm×6 mm的2A12鋁盒，鋁盒殼厚2.5 mm，安裝在2.5 mm厚2A12鋁合金方形支撐板上；

2) 盒裝RDX：規格為60 mm×2.5 mm的RDX放置于藥盒內，并安裝在2.5 mm厚2A12鋁合金方形支撐板上；

3) 裸裝RDX：規格為60 mm×2.5 mm的RDX，粘貼在用于支撐的2.5 mm厚2A12鋁合金方形板中心50 mm圓孔上。

試驗靶材如圖2所示。

圖2 試驗靶材圖Fig.2 Target material

2.3 試驗參數

試驗狀態參數如表2所示。

表2 試驗狀態參數Table 2 Typical test parameters

3 數據處理

3.1 標定

輻射計采用已知光譜輻射照度的高亮度白光光源(輻射光譜范圍為170～2 100 nm)進行標定，標定光路如圖3所示，光源出射方向與光纖接收端共線，為使標定光路與試驗光路一致，在光纖接收端前加裝試驗時使用的窗口玻璃，輻射計增益電壓與試驗時保持一致。光學斬波器對光源進行調制形成脈沖輻射照射到光纖接收端。

圖3 標定光路示意圖Fig.3 Calibration light path diagram

通過調整光源到光纖接收端的距離，以改變光纖接收端的輻照度，進而改變輻射計產生的脈沖電壓，獲得一系列各波段(中心波長為、帶寬Δ=2,-1,，=1，2，…，8)在不同距離處的輻照度(,)和電壓(,)，使用一元二次函數擬合獲得電壓和輻照度之間的對應關系為：

(1)

式(1)中：、、為標定系數；不同距離處的電壓(,)通過數據采集系統采集獲得。輻照度(,)通過距光源05 m處的標準光譜輻照度值(05,)計算，即：

(2)

3.2 光譜輻射強度計算

根據試驗測得的各中心波長為、帶寬為Δ的輻射在不同時刻的電壓值(,)，依據已標定得到的擬合方程，計算得到撞擊產物在中心波長為、帶寬為Δ的輻射在不同時刻的輻照度(,)，由于測量距離大于撞擊位置測量視場5倍半徑，對于輻射計光纖接收端面位置，撞擊輻射可以近似看成點源輻射，由此帶來的誤差不大于2，因此，可利用距離平方反比定律得到中心波長處的撞擊輻射強度隨時間的變化，即：

(3)

式(3)中，為試驗時靶材軸線到光纖入射端面的距離，m。

3.3 撞擊產物溫度計算

假設撞擊產物輻射為灰體輻射，并在很短的時間內達到平衡。在平衡熱輻射的條件下，根據普朗克輻射定律可知：

(4)

式(4)中：()為時刻的等效黑體輻射面積；(())為與時刻對應的等效輻射溫度()相同的黑體在波長處的黑體光譜輻射出射度；為第1輻射常數，=2π=3741 8×10W·m;為第2輻射常數，==1438 8×10m·K，為光速，為普朗克常數，為玻爾茲曼常數。

式(4)中，()、()為未知數，可通過時刻多個波長下的光譜輻射強度()數據，采用最小二乘法擬合求得。

4 結果與分析

利用標定擬合方程處理得到空藥盒、盒裝RDX、裸裝RDX在不同撞擊速度下的輻射強度變化結果，如圖4—圖9所示，每次試驗各個輻射峰的峰值光譜輻射強度如表3所示，計算得到的撞擊盒裝RDX、裸裝RDX的撞擊產物溫度變化如圖10所示,等效黑體輻射面積變化如圖11所示。其中第3次試驗中RDX未完全反應，試驗后在靶室內回收到RDX殘片約7.27 g。其余試驗中，在靶室未見明顯RDX殘留。

圖4 鋁球以2.7 km/s速度撞擊空藥盒時光譜輻射強度曲線Fig.4 Radiation intensity when impacting the empty box at 2.7 km/s

圖5 鋁球以6.1 km/s速度撞擊空藥盒時光譜輻射強度曲線Fig.5 Radiation intensity when impacting the empty box at 6.1 km/s

圖6 鋁球以2.7 km/s速度撞擊盒裝RDX時光譜輻射強度曲線(9.26 g RDX中有7.27 g RDX殘留)Fig.6 Radiation intensity when impacting the packed RDX at 2.7 km/s

圖7 鋁球以6.0 km/s速度撞擊盒裝RDX時光譜輻射強度曲線Fig.7 Radiation intensity when impacting the packed RDX at 6.0 km/s

圖8 鋁球以2.7 km/s速度撞擊裸裝RDX時光譜輻射強度曲線Fig.8 Radiation intensity when impacting the naked RDX at 2.7 km/s

圖9 鋁球以6.2 km/s速度撞擊裸裝RDX時光譜輻射強度曲線Fig.9 Radiation intensity when impacting the naked RDX at 6.2 km/s

圖10 不同試驗狀態下的等效輻射溫度變化Fig.10 Equivalent radiation temperature variation of different test

圖11 不同試驗狀態下的等效輻射面積曲線Fig.11 Equivalent radiation area variation of different test

表3 Test1～Test6峰值光譜輻射強度(W·Sr-1·nm-1)Table 3 Peak radiation intensity of Test1～Test6(W·Sr-1·nm-1)

4.1 撞擊空藥盒光輻射特性分析

鋁球超高速撞擊空藥盒時，光譜輻射強度存在1個明顯峰，總體上呈先快速升高后快速下降的趨勢，持續時間極短，約50 μs，輻射波段以紫外為主，其中通道1(中心波長302.9 nm)和通道3(中心波長393.4 nm)輻射較強，其他通道輻射強度較弱。通道1包含鋁的308.2 nm和309.3 nm特征譜線，通道3包含394.4 nm和396.2 nm特征譜線，這2個通道輻射強度最大，說明撞擊產物輻射主體為鋁氣體。這和鋁球超高速撞擊鋁厚靶的特征基本相同。

6.1 km/s撞擊速度條件下的光譜輻射強度值均大于2.7 km/s撞擊速度條件下的光譜輻射強度值，說明該峰光譜輻射強度主要是由撞擊條件來控制。

輻射機制可能是：鋁球超高速撞擊鋁空藥盒時，劇烈的沖擊、壓縮、剪切效應使得撞擊點附近溫度急劇升高，產生大量氣化鋁產物，使得壓強急劇升高并迅速向外膨脹形成沖擊波，光輻射強度急劇升高直至產生峰值；撞擊結束后，溫度、壓強迅速降低，光輻射強度迅速降低。

撞擊速度越大，鋁球的動能就越大，沖擊氣化產物的能量就越大，輻射強度就越大，因此，撞擊沖擊波效應產生的光譜輻射強度隨著撞擊速度的增大而增強。

4.2 撞擊盒裝RDX光輻射特性分析

和撞擊空藥盒不同，鋁球超高速撞擊盒裝RDX時，除了約50 μs之前存在一個峰值外，50 μs后還存在一個持續時間更長的特征峰。

第1峰

第1峰的總體趨勢、持續時間與強輻射波段與鋁球超高速撞擊空藥盒基本相同。在相同速度撞擊條件下，盒裝RDX的撞擊輻射強度峰值高于空藥盒的撞擊輻射強度峰值。這說明，鋁球超高速撞擊盒裝RDX的光譜輻射強度第1峰不僅與超高速碰撞有關，還與盒裝RDX的反應有關。

輻射機制可能是：鋁球超高速撞擊盒裝RDX時，撞擊產生的包括氣化鋁原子在內的氣化產物向外膨脹形成沖擊波，與此同時，盒內RDX受撞擊發生爆轟，爆轟產物的膨脹作用增強了鋁球撞擊藥盒的沖擊波強度，從而產生了比撞擊空藥盒更強的光譜輻射。

第2峰

第2峰總體上呈先升高后下降趨勢，持續時間較第1峰顯著增長，約300 μs，輻射波段以可見光為主，中心波長為800 nm的波段光譜輻射最強。

對于包含了鋁原子強特征輻射譜的波段光譜輻射無顯著峰，說明該輻射與鋁球和鋁藥盒的撞擊沖擊波效應關系不大；第3次試驗反應1.99 g RDX(9.26 g RDX試驗后靶室殘留7.27 g)，第4次試驗反應9.26 g RDX(9.26 g RDX試驗后未見殘留)，第4次試驗比第3次試驗的峰值光譜輻射強度大，說明該輻射與RDX反應量有關。

輻射機制可能是：彈丸撞擊鋁藥盒后，盒內撞擊點附近的RDX，因超高速撞擊產生的高溫高壓而發生劇烈的化學反應，在藥盒內迅速生成大量反應氣體引發爆轟，形成高壓并向外迅速膨脹沖破藥盒的束縛，產生爆轟輻射。

4.3 撞擊裸裝RDX光輻射特性分析

鋁球超高速撞擊裸裝RDX時，光譜輻射強度存在多個峰。

第1、2峰

第1、2峰總體上呈先快速升高后快速下降的趨勢，持續時間極短，第1峰約10 μs、第2峰約15 μs，輻射波段以紫外為主，包含鋁原子強特征輻射譜的中心波長為393.4 nm的波段光譜輻射最強。

第1、2峰紫外波段光譜輻射強度大于可見光波段光譜輻射強度，說明輻射源的溫度較高；包含了鋁原子強特征輻射譜的波段光譜輻射最強，說明輻射源中存在氣化鋁原子；第1峰在6.2 km/s撞擊速度條件下的光譜輻射強度值顯著大于2.7 km/s撞擊條件下的光譜輻射強度值，說明第1峰光譜輻射強度主要是由撞擊條件來控制；第2峰在2種撞擊速度條件下的光譜輻射強度值相差不大，說明第2峰光譜輻射強度與撞擊條件關系不大，而和RDX的化學反應相關性強。

其他峰

在撞擊約50 μs后，輻射強度存在多個峰值，在1 500 μs左右達到最大值，如圖8、圖9所示。總持續時間大于1 700 μs，輻射波段以可見光為主，中心波長為800 nm的波段光譜輻射最強。

包含了鋁原子強特征輻射譜的波段在其他峰峰值處幅值很小，在2種撞擊速度條件下，光譜輻射強度值相差不大，說明該輻射與鋁球和裸裝RDX的撞擊沖擊波效應相關度很小。其他峰的輻射持續時間顯著大于碰撞盒裝RDX第2峰的輻射持續時間。

輻射機制可能是：撞擊點附近的RDX發生爆轟后，由于裸裝RDX缺乏藥盒的空間約束，使得爆轟反應的速度變慢，產生了比盒裝RDX持續時間更長的爆轟輻射。

5 結論

通過測量分析鋁球超高速撞擊空藥盒、盒裝RDX、裸裝RDX的紫外可見光典型波段的輻射強度變化，得到如下結論：

1) 超高速撞擊不同靶材的輻射強度變化規律顯著不同，撞擊空藥盒存在1個輻射峰，撞擊盒裝RDX存在2個輻射峰，撞擊裸裝RDX存在多個輻射峰；

2) 超高速撞擊不同靶材的總輻射持續時間顯著不同，撞擊空藥盒的輻射持續時間最短，約50 μs；撞擊盒裝RDX的輻射持續時間次之，約400 μs；撞擊裸裝RDX的輻射持續時間最長，約1 800 μs；

3) 撞擊沖擊波效應產生的光譜輻射強度，隨著撞擊速度的增大而增強；爆轟產生的光譜輻射強度與撞擊速度相關度較小；

4) 鋁球撞擊沖擊波效應產生的強輻射波段在鋁的強特征輻射波段，RDX爆轟產生的強輻射波段在可見光波段。

致謝：中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所蔣偉、趙凱國等參加了試驗，并付出了辛勤的勞動，在此表示感謝！