基于激光聚焦击穿的水下爆炸气泡特性及毁伤机理研究

The characteristic and damage mechanism of explosion bubble in the vicinity of boundary surface in water is studied by lase focusing induce breakdown. The explosion bubble area with different size or distributing characteristics in water can be formed by laser focusing induced breakdown technology. And it can be controlled by adjusting the parameters of the laser and optical focusing system in order to have the similarity compared with the micro explosion induced by charge. The mechanism and experiment of bubbles by laser focusing induce breakdown will be studied. The controlled explosion bubble areas in the vicinity of different boundary surface are produced by laser with adjustable parameters and optical focusing system. The multi-bubble pulse, shock wave by bubble collapse, jet and the damage effection of boundary by them are measured quantitatively by use of the high speed photography, hydrophone and so on. It is a new way to research the damage mechanism of the explosion bubble by the technology of laser focusing induced breakdown. It will transfer the underwater study of explosion damage macroscopically to microcosmic study. It is also a new approach with controllable, measurable, visible and other characteristics. Hence, the study plays an important role to illustrate the microcosmic process and regulation of damage of underwater explosion bubble. The results can provide much valuable information to the numerical simulation and engineering design of the underwater about ship survivability, warhead damage efficiency of underwater weapons.

课题采用激光聚焦击穿的方法开展水下爆炸气泡特性及毁伤机理研究。基于激光聚焦击穿技术，可在水介质中形成具有不同尺寸和分布特征的爆炸气泡区，并通过调整激光和光学聚焦系统参数对其进行控制，进而使激光聚焦击穿爆炸气泡与小当量药包爆炸气泡具有相似性。课题将开展激光聚焦击穿水介质形成气泡的机理和实验研究，采用可调参数激光器和光学聚焦系统在不同边界面附近产生可控的爆炸气泡区。利用高速摄影、水听器等方法对多气泡脉动、气泡溃灭冲击波、射流及对边界面的毁伤效应进行定量测试。利用激光聚焦击穿技术研究爆炸气泡特性是爆炸气泡毁伤机理研究的新方法，是水下爆炸毁伤研究从宏观走向微观的新途径，具有可控、可测、可视等特点。课题的研究方法对阐明水下爆炸气泡毁伤发生的微观过程及其规律有重要意义，研究成果可为舰船生命力、水中兵器战斗部毁伤效能分析等提供水下爆炸的理论和技术支撑。

水下爆炸载荷特性十分复杂，爆炸气泡与自由面、水中结构相互作用等一直是研究热点。利用激光聚焦击穿技术研究爆炸气泡特性是爆炸气泡毁伤机理研究的新方法，是水下爆炸毁伤研究从宏观走向微观的新途径。主要研究成果如下：. （1）开展了高功率激光击穿液体的机理研究。从理论方面分析了激光击穿液体介质的物理过程、冲击波辐射特性以及激光聚焦击穿气泡的脉动特性，并进行了数值计算。. （2）利用高功率激光器、光束会聚系统、高速相机、液体介质构建了激光聚焦击穿气泡、气泡高速摄影的实验平台。对激光击穿液体介质瞬间的等离子体闪光、气泡脉动、冲击波辐射等进行了高速摄影，通过对所得摄影图像序列的分析，得到了不同液体中激光气泡尺寸、脉动周期、气泡溃灭冲击波特性以及水中自由场激光爆炸双气泡的脉动特性。. （3）研究了自由水-空气界面附近爆炸气泡的特性。高速摄像测量实验的研究表明在自由液面附近的爆炸单气泡、双气泡的冲击波辐射、脉动等特性与无量纲距离γ的取值有关。. （4）研究了边界面附近爆炸气泡的特性，推导了气泡溃灭辐射的冲击压力的理论模型，建立了壁面附近激光气泡的产生、微调控制及测量实验平台。采用高速摄影技术对不同液体、不同参数条件下单气泡脉动的外形特征、溃灭冲击波、脉动周期等参数进行了测量，同时对激光爆炸双气泡的近壁面特性进行了研究。. （5）开展了激光聚焦击穿气泡同水下实药爆炸气泡间的相似性研究，验证了激光聚焦击穿技术应用于水下爆炸气泡毁伤定量模拟的可行性。. 利用激光聚焦击穿爆炸从微观角度开展水下爆炸气泡研究具有可控、低成本、低耗、安全等优点，本文研究成果可为复杂情况下水下爆炸气泡及其对界面毁伤模式的确认提供验证数据,为研制新型水下攻击武器设计(如大气泡能武器、爆炸引信、多点爆炸毁伤等)提供了理论支撑。