超高速碰撞产生闪光的演化特征及其物理机制研究

Light flash phenomena generated by hypervelocity impact is phase transition of the matter under intense dynamic loading,involving in dynamic behavior of materials, solid state physics , high pressure physics, and atomic & molecular physics. It has important application values in the fields of missile intercept, astrophysics and deep space exploration. LY12 aluminum and dolomite plate targets will be the object of study in this project. Physical mechanism of light flash produced by hypervelocity impact will be studied by experimental study, theoritical analysis and numerical simulation. Optical fiber measurement system of transient pyrometer for light flash intensity measurement and transient spectral measuring system for projectile and target material components determination will be confirmed as vital contents； Rules of light flash intensity for impacting LY12 aluminum and dolomite plate in different experimental paratermeters will be obtained through the originally experimental data from optical fiber transient pyrometer measurement system in combination with calibration ,which evolutionary characteristic models of radiant temperature will be revealed；Matter components of projectile and target will be deterimened by transient spectral measuring system； The relationships of shock wave energy,residual specific internal energy and light flash energy will be elucidated, which involving a variety of heat transmission patterns and additional heat mechanisms ,such as jet and friction shear heat ,et al.The research achievement of the project obtained will provide valuable references for missle intercept, astrophysics and deep space exploration. Regularities acquired from impacting light flash in this project will also lay a foundation for light flash generated during hypervelocity impact other materials.

超高速碰撞产生的闪光现象是物质在强动载作用下的物态转变，涉及材料动力学、固体物理、高压物理、原子分子物理等学科领域，在导弹拦截、天体物理及深空探测领域具有重要的应用价值。本项目以LY12铝及白云石板靶为研究对象，通过实验研究、理论分析和数值计算，系统研究超高速碰撞产生闪光的物理机制。重点建立闪光强度测量的光纤瞬态高温计测量系统、确定弹靶材料物质组分的光谱测量系统；通过光纤瞬态高温计测量系统得到的原始数据结合标定，获得碰撞LY12铝及白云石板在不同实验参数条件下产生闪光强度的变化规律，揭示辐射温度演化特征模型；利用光谱测量系统确定弹靶材料的物质组分；阐明冲击波能、剩余比内能与闪光能量的关系，综合考虑碰撞过程的多种热传输方式和射流、摩擦剪切热等附加热机制。该项目的研究成果将为导弹拦截、天体物理及深空探测提供有价值的参考，获得的碰撞闪光规律性认识，必将为其他材料超高速碰撞产生闪光的研究奠定基础。

鉴于超高速碰撞过程产生的闪光中包含着材料内部的大量信息而备受导弹拦截、深空探测等诸多领域广大科技工作者的关注，课题紧密围绕我国对超高速碰撞条件下不同材料产生闪光特征数据库的迫切需求。课题组成员攻坚克难，精诚合作，利用自行建立的二级轻气炮加载系统及其瞬态光纤高温计、ESA4000中阶梯光栅光谱仪和HSFC-Pro超高速相机等相关测试系统，开展了超高速碰撞天然白云石板和2A12铝板产生闪光的实验研究和系列理论推导。重点利用瞬态光纤高温计系统开展了超高速碰撞天然白云石板和2A12铝板在可见光波长范围内给定波长的闪光辐射实验测量，探索了闪光辐射强度及其辐射温度的数据处理方法，并以此为基础推导了闪光辐射强度及辐射温度的演化特征理论模型；同时，利用ESA4000中阶梯光栅光谱仪进行了弹靶材料的物质元素组成确定，结合量子力学的相关理论对超高速碰撞产生闪光的光谱进行了解析，通过HSFC-Pro超高速相机对不同实验照片采集时刻的照片采集得到了超高速碰撞产生蒸气云的平均膨胀速度；确定了在弹丸不同入射角度（弹道与靶板平面间的夹角）条件下超高速碰撞天然白云石板和2A12铝板产生闪光的临界碰撞速度；通过实验和理论分析，得到了不同碰撞速度、弹丸不同入射角度条件下超高速碰撞天然白云石板和2A12铝板产生闪光的演化特征并建立了闪光辐射信号衰减阶段的理论模型；进而基于前人的研究基础和实验结果，结合光谱分析和能量分配的相关理论在细观的层面上揭示了超高速碰撞产生闪光的物理机制。为了探索超高速碰撞产生闪光的空间演化特征，基于大量超高速碰撞实验并结合普朗克辐射定律，通MATLAB软件编程对实验数据的处理得到了闪光辐射强度随时间的演化曲线，进而通过比率法得到的闪光辐射温度、辐射源面积随时间的演化曲线，以此为基础提取了不同实验参数条件下的最大闪光辐射强度和最大闪光辐射温度并建立了撞击点附近产生闪光辐射的空间演化模型。