爆轰驱动下对碰区早期凸起行为的超高速光电摄影实验研究*

赵新才，张崇玉，李 剑，刘宁文，肖正飞

(1.中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳 621999; 2.中国工程物理研究院研究生院，北京 100088)

1 引 言

爆轰波对碰区的飞层运动是武器物理研究的热点问题，涉及对碰区局部材料的冲击或卸载熔化(与冲击波构型和强度相关)、因材料压缩和卸载路径不同而造成的质点间速度梯度和速度场分区以及材料的剪切流变、断裂、破碎和飞散等现象[1-2]。目前的实验研究主要针对对碰行为晚期演化结果的外在特征，如对射流速度或空间密度等进行测量[3-9]或数值模拟[10-11]，并未涉及物质状态和破碎弥散参数，例如质点固/液状态识别、破碎物质的颗粒尺度分布及其演化、飞散物质在飞层上的来源位置、从连续介质状态开始到形成的演化中间过程。对碰区运动凸起晚期诊断结果分析与飞层早期过程响应等行为有密切关联，但尚缺少对该类实验数据的精确测量。因此，从精密物理实验研究的角度出发研究对碰区问题，亟需针对对碰区动载过程早期的相关机制和过程演化进行研究，主要包括入射冲击波及对碰后冲击波构形的变化，质点速度场的形成和演化、因材料熔化导致的材料表面破碎。

本研究中，选取W、Cu等材料作为研究对象，采用超高速光电分幅相机，搭建精密实验诊断平台，针对滑移爆轰对碰加载下对碰区入射冲击波构形及加载强度、对碰区局部材料质点速度梯度的形成和熔化区分界等物理参数和早期行为进行研究，并对实验现象进行分析讨论。

2 超高速光电分幅相机

超高速光电分幅相机为中国工程物理研究院流体物理研究所自主研制的超高速摄影设备，具有摄影频率高且可调、动态范围大和弱光探测能力强等优点，已经应用于爆轰波与冲击波物理、等离子体物理、加速器物理、惯性约束聚变、高温等离子体和真空放电、激光与物质相互作用、高电压等研究领域。超高速光电分幅由物镜、分光系统、门控型微通道板像增强器、耦合器、CCD相机、工控机、同步控制单元、快脉冲电源、光纤收发器等组成，其工作原理如图1所示。拍摄目标通过物镜和分光系统成像在门控型微通道板上的阴极面，目标像经像增强器放大耦合到CCD芯片上，CCD相机输出图像通过光纤传输在计算机上显示并进行图像处理。拍摄频率和单幅曝光时间由精确同步控制器和MCP专用脉冲电源所设定。超高速光电分幅相机的主要指标如下：(1) 光谱响应范围为380～850 nm；(2) 画幅数为8幅；(3) 最高摄影频率为2×108幅/秒；(4) 拍摄总长度为10 ms，幅间隔在1 ns～1 ms范围内分档可调；(5) 输出图像画面像素为1 600×1 200；(6) 空间分辨率不小于36 线对/毫米。

图1 超高速光电分幅相机原理图Fig.1 Schematic diagram of the high speed frame camera

3 实验设计

3.1 实验装置

对碰区实验装置的结构如图2所示。药柱成分为JH-9005炸药，尺寸为∅32 mm×22 mm；飞片材料有W、Pb、Cu、Ce 4种，其厚度分别为1.5、2.0、2.5、3.3 mm，直径均为36 mm；在药柱与飞片之间安装厚度为2 mm的铝隔板；采用两个BL21雷管在药柱侧面对称位置上同时起爆，在炸药中形成两个相向传播的爆轰波，爆轰波对碰后驱动飞片运动。

图2 对碰区装置结构图Fig.2 Experimental configuration of the collision region

为了消除空气冲击波发光对对碰区凸起形貌观测的影响，在装置中设计了一个独立密封腔结构，将飞片置于密封腔内，其余部分(炸药、雷管等)仍在大气环境中。实验时，要求密封腔真空度保持在50 Pa以下。密封腔面向相机一侧采用K9光学玻璃窗口，为了增加透光率，消除反射光对观测结果的影响，在K9玻璃两面均镀有增透膜。

3.2 测试技术与实验布局

图3 测试系统布局图Fig.3 Layout of measurement system

采用超高速分幅摄影技术研究对碰区早期凸起行为的测试系统布局如图3所示。由于实验装置为柱壳结构，因此沿装置的轴线进行拍摄。为了更清晰地观察凸起行为，将装置与光轴(拍摄方向)的夹角取为60°，并且在飞层表面放一标尺，方便与对碰区凸起情况进行比较。相机曝光时间选择为100 ns，根据实验飞片材料的不同单独设置幅间距，每发实验可获得8幅图像。照明光源采用两个脉冲氙灯作为前照明光源，从不同角度均匀地照亮实验装置的前表面。另外，由于实验要求的拍摄视场较小(∅10 mm)，因此设计了与相机系统相匹配的光学放大系统，对视场进行放大。实验过程中，存在由高压放电而导致的电磁干扰，为防止超高速光电分幅相机在高电压环境中出现误触发、时序不正常及图像丢失等问题，计算机控制与数据信号均采用全光纤传输。

4 实验结果分析

实验均以炸药起爆时刻为计时零点，主要关注1 μs内对碰区凸起的动态变化过程。采用超高速光电分幅相机拍摄得到8个典型时刻W飞层对碰区早期凸起行为的演化图像，如图4所示。从图4中可以看出：零时刻，两个相向传播的爆轰波恰好相遇；当t=0.1 μs时，两爆轰波发生碰撞，W飞层对碰区出现凸起；当t=0.2 μs时，碰撞凸起已经非常明显，并且随着时间推移，凸起高度也越来越高。另外，逐渐延长后几幅图像的拍摄幅间距，得到了爆轰波对碰后波系反射、叠加及飞层破碎等过程。

图4 钨飞层对碰区早期凸起行为的演化图像Fig.4 Evolution images of early bulge in collision region of W flyer

图5为Cu作为飞层材料时对碰区早期凸起行为的演化图像。相机曝光时间仍为100 ns，前7幅图像的幅间距与W飞层实验相同，最后一幅图像延时为3.5 μs。相对于W飞层实验，此发实验中，爆轰波传播的速度稍慢，在零时刻还未相遇；当t=0.1 μs时，两爆轰波发生碰撞，飞层对碰区出现凸起现象。此外，在最后一幅图像中，也清晰地观察到飞层破碎的过程。对两发次实验分析可知，Cu和W对碰区早期凸起行为基本一致，但是，Cu飞层中爆轰波对碰运动相对W飞层温和，膨胀速度要小一些。Cu和W飞层对碰区凸起形状均为细长的射流状，不过Cu飞层对碰区更加细腻，而W对碰区表面出现的微喷射颗粒相对较多。由此可见，材料的强度、熔点等性能与飞层对碰区凸起速度、形貌特征等有直接的关联。对于Pb、Ce等飞层材料也进行了超高速摄影实验，结果如图6和图7所示。

图5 铜飞层对碰区早期凸起行为的演化图像Fig.5 Evolution images of early bulge in collision region of Cu flyer

图6 铅飞层对碰区早期凸起行为的演化图像Fig.6 Evolution images of early bulge in collision region of Pb flyer

图7 铈飞层对碰区早期凸起行为的演化图像Fig.7 Evolution images of early bulge in collision region of Ce flyer

对比拍摄所得4种飞层材料对碰区早期凸起行为的图像可以看出，对碰区凸起的运动速度从快到慢依次为W、Cu、Pb、Ce。两爆轰波对碰后，各种材料的整体运动趋势是一致的。飞层对碰区均出现了明显的凸起现象，随着时间的推移，对碰区凸起高度越来越高。本实验采用超高速光电相机进行拍摄，获取了清晰的对碰区早期凸起光学图像，相对于传统的光机式高速摄影技术，曝光时间更短，因此图像的动态模糊更小，图像细节更清晰。当然，单纯通过光学照相获取的图像并不能完全反映对碰区早期凸起行为的全部特征，为了更全面地反映对碰区早期凸起的行为特征，还应该增加X光照相(可以滤除密度较低的微喷射物质)、激光干涉测速等技术手段。

5 结 论

利用超高速光电分幅相机建立了精密实验平台，选取性能基本已知的W、Pb、Cu、Ce等材料，对爆轰对碰加载下飞层对碰区运动所涉及的物理问题(如飞层中的冲击波构形及加载强度、对碰区局部材料质点速度梯度的形成和熔化区分界)进行了实验研究，获得了飞层对碰区早期凸起行为的演化图像，给出了冲击波对碰前、后飞层表面变形的细节特征，实现了飞层表面状态的精细辨识。实验结果可以为对碰物理现象的量化分析和数值模拟提供参考。后续工作拟缩短超高速光电分幅相机拍摄的幅间距(纳秒级)，针对特定阶段进行高速照相，进一步提高实验精度和辨识能力。

致谢:感谢胡海波研究员、汤铁钢研究员对实验工作的指导以及任青毅、丁明军、李碧勇等老师在实验测试中的协助和支持。

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