1、引言(yan)
超(chao)高速碰(peng)撞过程(cheng)中产(chan)生的(de)冲击闪(shan)光现象(xiang)包含(han)着关键机制、撞(zhuang)击材料和撞击环(huan)境(jing)特(te)征(zheng)[1]等重(zhong)要(yao)信息。通(tong)过(guo)对(dui)碰(peng)撞(zhuang)过(guo)程中的撞(zhuang)击(ji)闪(shan)光(guang)图、辐射(she)特(te)征曲(qu)线(xian)、等离子(zi)体[2]等(deng)的(de)研(yan)究，可(ke)以(yi)揭(jie)示(shi)碰(peng)撞(zhuang)过(guo)程中(zhong)的(de)弹(dan)体撞(zhuang)击(ji)姿态(tai)、弹靶(ba)成(cheng)分、辐(fu)射(she)演化过程等(deng)重(zhong)要信息。这对(dui)于推(tui)进(jin)深(shen)空探测研(yan)究(jiu)、反导(dao)系统(tong)、目(mu)标毁伤(shang)效(xiao)果(guo)评价等(deng)领域都具(ju)有重(zhong)要(yao)意义。
在(zai)过去(qu)的(de)几(ji)十(shi)年里(li)，撞(zhuang)击闪(shan)光(guang)已成(cheng)功(gong)应(ying)用于星(xing)体探测[3]、武器(qi)毁伤(shang)评(ping)估(gu)[4]、材(cai)料分(fen)析(xi)[5]等(deng)领域，美(mei)国国家(jia)航空航天局艾(ai)姆斯研究中(zhong)心(xin)完(wan)成(cheng)了(le)“Tempel1”的(de)深(shen)度(du)碰(peng)撞(zhuang)实(shi)验(yan)，揭示(shi)了(le)“Tempel1”彗星的(de)物质(zhi)组成(cheng)成(cheng)分(fen)[3][6]。美(mei)国陆军研究实验(yan)室(shi)开(kai)展(zhan)了(le)一(yi)系(xi)列(lie)武器(qi)撞(zhuang)击(ji)产(chan)生(sheng)可(ke)见(jian)光和(he)红(hong)外光实(shi)验(yan)，通(tong)过对采集的不同(tong)波长光谱信(xin)号的分析(xi)，推断出(chu)弹丸(wan)对目标(biao)靶(ba)板(ban)的(de)毁(hui)伤情(qing)况(kuang)[4]。Lawrence等(deng)人分别使(shi)用二级(ji)、三级轻(qing)气炮和Z装(zhuang)置加载不(bu)同(tong)材(cai)质(zhi)的(de)弹丸以不(bu)同速(su)度碰(peng)撞铝靶，测(ce)量了(le)碰撞(zhuang)发(fa)光可见光及红外(wai)光谱，并(bing)对连续和间断光(guang)谱(pu)辐(fu)射的(de)演化特(te)征进行(xing)了(le)研(yan)究[7][8]。国(guo)内的(de)黄雪刚(gang)、石(shi)安华(hua)[9]等(deng)人提出(chu)一(yi)种(zhong)空(kong)间(jian)碎片(pian)冲击损(sun)伤评(ping)估(gu)方法(fa)，为提高(gao)轨道(dao)飞行器(qi)在(zai)空(kong)间(jian)碎片冲(chong)击(ji)下(xia)的(de)生(sheng)存能力奠定基(ji)础(chu)。薛一(yi)江[10]等人(ren)采(cai)用(yong)轻气(qi)枪(qiang)进行(xing)了一(yi)系列冲击(ji)闪(shan)光实(shi)验，揭示了(le)冲(chong)击闪光机(ji)制。杜(du)雪飞(fei)[11]开(kai)展铝(lv)弹丸撞击(ji)铝(lv)靶的(de)高速碰(peng)撞实(shi)验(yan)，并(bing)对(dui)撞(zhuang)击(ji)产生(sheng)的气化产物(wu)冲击波的运(yun)动速(su)度进(jin)行了(le)测(ce)量，建立(li)了(le)适(shi)用(yong)于(yu)研(yan)究气(qi)化产(chan)物(wu)运(yun)动特(te)性(xing)的理论模(mo)型。
董文(wen)朴(pu)[12]等人揭示(shi)了(le)撞击(ji)过(guo)程(cheng)中出现的辐(fu)射强度(du)峰值与(yu)靶(ba)室(shi)压强(qiang)的关系。司宇(yu)[13]等(deng)人(ren)对(dui)侵彻过程(cheng)中选取(qu)高(gao)速摄影(ying)的最佳(jia)可见光波(bo)段(duan)进行了(le)研(yan)究测(ce)量。龚良(liang)飞[14]等(deng)对高(gao)速(su)碰撞闪(shan)光光谱的(de)辐射模(mo)型进(jin)行了(le)阐述(shu)。刘立恒[15]等(deng)人(ren)对黑索(suo)金(jin)（RDX）靶(ba)材超高(gao)速撞(zhuang)击(ji)辐射特(te)征(zheng)进(jin)行(xing)了研究(jiu)，得(de)到(dao)了不同(tong)靶(ba)材辐射(she)特(te)性之(zhi)间(jian)的差异(yi)。苏海(hai)鑫(xin)[16]等对静态TNT爆炸(zha)闪(shan)光随(sui)时间(jian)演化过程进行(xing)了分析。
目(mu)前高速碰(peng)撞(zhuang)实(shi)验大都(dou)集中(zhong)在室内(nei)轻气炮(pao)装(zhuang)置(zhi)上(shang)铝(lv)、铜(tong)弹(dan)靶(ba)的(de)碰(peng)撞(zhuang)角(jiao)度、速(su)度(du)、靶(ba)式(shi)压(ya)强对(dui)光(guang)谱辐(fu)射特(te)征(zheng)的影(ying)响(xiang)，或(huo)弹(dan)丸撞(zhuang)击非(fei)金(jin)属(shu)靶材(cai)料(liao)时，靶板的(de)挥(hui)发性及(ji)孔隙度(du)对光谱辐射强(qiang)度(du)的衰减(jian)影(ying)响，缺(que)少(shao)弹丸(wan)对不同(tong)金(jin)属靶材的(de)外场实验(yan)数据(ju)。基于此，设(she)计(ji)了瞬态(tai)闪(shan)光光(guang)谱采(cai)集(ji)测(ce)量(liang)系(xi)统(tong)，开展了(le)钢(gang)弹丸高速(su)撞击(ji)钛合(he)金靶、铝合(he)金靶及特(te)钢靶(ba)3种(zhong)靶材的辐射特性(xing)实(shi)验(yan)，分析(xi)了弹丸(wan)撞击不(bu)同(tong)靶材(cai)的特征谱线与辐(fu)射强度，为评(ping)估撞(zhuang)击(ji)材料目(mu)标毁伤(shang)特(te)性(xing)提(ti)供依据。
2、瞬态(tai)光(guang)谱探测(ce)方(fang)案(an)设计(ji)
2.1探测(ce)系(xi)统整体(ti)设(she)计(ji)
目前国内(nei)对于(yu)高速(su)冲(chong)击实(shi)验大都(dou)集中在(zai)探(tan)测(ce)环境良好、实(shi)验(yan)条件可控的室内轻(qing)气炮(pao)装置上，然而(er)实(shi)际(ji)的(de)外(wai)场(chang)实验(yan)环(huan)境干扰因素多、光照强(qiang)，基(ji)于此(ci)提出一种适(shi)用于复(fu)杂(za)外场环境下的(de)瞬态光(guang)谱(pu)采(cai)集(ji)方(fang)案(an)，设计原(yuan)理(li)如图(tu)1所(suo)示。弹丸(wan)碰(peng)撞(zhuang)靶(ba)板(ban)经过(guo)延时提供触发信(xin)号，瞬态(tai)光(guang)谱(pu)采(cai)集(ji)测(ce)量(liang)系(xi)统开始(shi)测量(liang)。探测(ce)时(shi)，冲(chong)击(ji)闪(shan)光通(tong)过光纤(xian)准直(zhi)系(xi)统(tong)，当(dang)光强(qiang)过高时，由可调(diao)节光衰减(jian)器(qi)完(wan)成光强调节，再(zai)由(you)触(chu)发(fa)器(qi)控制(zhi)光(guang)纤(xian)光谱(pu)仪(yi)进行光(guang)谱(pu)信(xin)号(hao)采集，上位(wei)机软(ruan)件(jian)记录(lu)瞬态(tai)光(guang)谱(pu)信(xin)息(xi)，最(zui)后利(li)用(yong)专用(yong)软件(jian)完成数(shu)据(ju)分析。
2.2瞄准成(cheng)像(xiang)光路设(she)计(ji)
实验采用的(de)光纤(xian)纤芯(xin)很细，其(qi)可(ke)探(tan)测的范(fan)围(wei)很小，所(suo)以(yi)要(yao)想探(tan)测到整个靶面(mian)，光(guang)谱(pu)信号(hao)就(jiu)需(xu)要(yao)通过扩(kuo)束(shu)镜(jing)头(tou)来达到(dao)实验目的(de)。将(jiang)激光光源(yuan)瞄(miao)准(zhun)在需(xu)探测区(qu)域(yu)，通过(guo)光纤(xian)连(lian)接(jie)至(zhi)扩(kuo)束镜头，根据(ju)光源信号(hao)瞄准(zhun)的光谱采(cai)集位(wei)置调(diao)节(jie)扩束(shu)镜头(tou)的位(wei)置、焦距及光(guang)圈(quan)大(da)小(xiao)等(deng)参数。待激光光源(yuan)瞄(miao)准(zhun)完毕后，稳定扩束镜头(tou)并接入光谱(pu)仪，完(wan)成光(guang)谱信(xin)号的(de)采(cai)集(ji)。利用(yong)这(zhe)种光(guang)纤准(zhun)直(zhi)系(xi)统，既可(ke)以(yi)保证采(cai)集(ji)系统(tong)的远距(ju)离(li)瞄准，又可以扩大(da)可探测(ce)范围(wei)。如图(tu)2所(suo)示为光(guang)纤(xian)扩(kuo)束(shu)镜(jing)头结(jie)构图(tu)。
2.3实(shi)验(yan)条(tiao)件(jian)
在(zai)相同(tong)碰(peng)撞角(jiao)度(du)下(xia)，采(cai)用(yong)14.5mm弹(dan)道(dao)枪，以(yi)1300~1500m/s速(su)度(du)分(fen)别(bie)撞击不同金属(shu)靶完(wan)成撞(zhuang)击(ji)实验，探测(ce)距(ju)离(li)为(wei)5米，采用(yong)USB4000光(guang)纤(xian)光谱仪(yi)捕(bu)捉瞬态(tai)光谱信号(hao)，波长(zhang)探(tan)测范(fan)围(wei)为350~900nm，实(shi)验(yan)状(zhuang)态参数(shu)表如表(biao)1所(suo)示。
其中a靶(ba)为(wei)钛(tai)合金(jin)靶，b靶(ba)为铝(lv)合金(jin)靶，c靶(ba)为特钢靶(ba)。
3、数据(ju)分(fen)析(xi)
3.1撞击闪(shan)光(guang)光(guang)谱
实验测(ce)得的钢(gang)弹丸(wan)分(fen)别(bie)撞(zhuang)击(ji)钛合(he)金(jin)靶、铝(lv)合(he)金靶及特钢(gang)靶在(zai)350~900nm波段(duan)内(nei)的(de)撞(zhuang)击光(guang)谱结果对(dui)比(bi)图(tu)如(ru)图(tu)3、4所示(shi)。
由图(tu)3、4可知，碰撞光谱(pu)由线(xian)光(guang)谱和(he)连(lian)续光(guang)谱(pu)组(zu)成。线(xian)光谱由(you)撞击(ji)过(guo)程(cheng)中(zhong)的能级跃迁产生，其中(zhong)原子发射光谱(pu)呈(cheng)现为单峰(feng)形(xing)态。在撞击(ji)角度相同、速(su)度相近的情(qing)况(kuang)下，钢(gang)弹(dan)丸(wan)撞(zhuang)击(ji)铝(lv)合金靶(ba)时(shi)会产(chan)生明显的AlO[1][17]分(fen)子发(fa)射带(dai)，（图中(zhong)颜色带），表明(ming)铝(lv)原(yuan)子(zi)与环(huan)境(jing)中的氧(yang)发生了(le)燃烧现象(xiang)，AlO也是相对原子(zi)发射(she)增(zeng)加的(de)新(xin)产物(wu)，且铝(lv)合金(jin)靶激(ji)发(fa)的(de)强(qiang)特征谱(pu)线(xian)明(ming)显(xian)比(bi)钛合(he)金(jin)靶(ba)和特钢(gang)靶(ba)丰富(fu)，而特(te)钢靶几乎(hu)没(mei)有(you)激发出(chu)明(ming)显(xian)的线状(zhuang)谱(pu)线(xian)。
3.2光谱(pu)对(dui)比分析
将三(san)种(zhong)靶(ba)材的(de)成(cheng)分与(yu)获(huo)得的(de)辐(fu)射光谱(pu)进行(xing)对应(ying)，利(li)用(yong)LIBS技(ji)术分(fen)别(bie)对三种靶(ba)材进行本(ben)征光谱提(ti)取。如图5为实(shi)验所(suo)用的(de)钛(tai)合金(jin)靶样品的(de)本征光谱(pu)，其(qi)中标红(hong)部(bu)分(fen)为高速(su)碰撞实(shi)验2激发出的(de)与本(ben)征光谱相(xiang)同的(de)元(yuan)素(su)成(cheng)分，碰撞(zhuang)光谱中(zhong)有明显(xian)的(de)钠(na)、钾元(yuan)素线光(guang)谱，根据(ju)金(jin)属(shu)活(huo)动性(xing)及(ji)元素所(suo)需的激(ji)发电位，钾元素与(yu)钠(na)元素(su)相(xiang)比(bi)于钛合(he)金中的主要元(yuan)素（Ti）及其他微量元(yuan)素(su)（V、Fe、Sn、Cr等(deng)）更(geng)活泼，所(suo)以(yi)更容(rong)易激(ji)发出(chu)来(lai)。具(ju)体(ti)如表2所(suo)示(shi)。（其中(zhong)光强(qiang)值(zhi)为实验2测(ce)得的(de)相对光(guang)强值，并(bing)非实际(ji)光(guang)强(qiang)。）图6为(wei)实验所(suo)用特钢(gang)靶(ba)样品的(de)本征光(guang)谱(pu)，与(yu)实验(yan)6获(huo)得(de)的实(shi)测光(guang)谱图对比(bi)分析，该(gai)实(shi)验条(tiao)件(jian)下只激(ji)发出中心(xin)波(bo)长(zhang)为(wei)438.27nm的(de)Fe原子(zi)谱线（图(tu)中标(biao)红部分(fen)），其(qi)他(ta)波(bo)段(duan)并没有(you)激(ji)发(fa)出明(ming)显线(xian)状(zhuang)谱(pu)。我们(men)推测(ce)可(ke)能(neng)是(shi)因为(wei)在(zai)1300~1500m/s的(de)速(su)度范围内，没(mei)有足够的外界能量(liang)，使(shi)特(te)征元(yuan)素激发出(chu)来；撞(zhuang)击(ji)过程中产生(sheng)的热辐(fu)射强度(du)高于(yu)原(yuan)子跃(yue)迁辐(fu)射强度(du)致使(shi)线(xian)性谱(pu)淹没(mei)在连(lian)续(xu)谱中(zhong)。此(ci)时(shi)，撞击过程中的电(dian)子能(neng)级(ji)跃(yue)迁(qian)释(shi)放光(guang)子的(de)概(gai)率(lv)变(bian)小，线光谱(pu)强度大(da)大(da)减(jian)弱。后续(xu)将采(cai)用(yong)更高(gao)弹丸(wan)速(su)度、更(geng)高(gao)灵敏度光纤(xian)光(guang)谱仪(yi)进(jin)行进(jin)一步(bu)研究。
图7为实(shi)验(yan)样(yang)品铝(lv)合金(jin)靶本征(zheng)光(guang)谱(pu)图(tu)，经过(guo)与(yu)实验(yan)3实测光(guang)谱(pu)图对比(bi)分(fen)析，发(fa)现了AlⅡ谱(pu)线，AlⅡ的存在(zai)说(shuo)明(ming)撞击(ji)过(guo)程中铝原子发生(sheng)了(le)电(dian)离，存(cun)在部分(fen)电(dian)离(li)的(de)等离(li)子体，特征(zheng)峰(feng)值(zhi)元(yuan)素(su)对应(ying)表(biao)如(ru)表(biao)3所(suo)示。(其中光(guang)强值为(wei)实验(yan)3测得的(de)相对光强(qiang)值(zhi)。）
4、结(jie)论(lun)
在(zai)90°撞击(ji)角(jiao)、1300~1500m/s撞(zhuang)击(ji)速度的实验(yan)条件下，通过测(ce)量(liang)分(fen)析(xi)钢弹(dan)丸分别撞(zhuang)击(ji)钛合金(jin)靶(ba)、铝(lv)合(he)金(jin)靶、特(te)钢靶的350~900nm波段的光谱信号，实验发(fa)现：三(san)种(zhong)靶(ba)材相(xiang)比(bi)，特钢靶(ba)难以激发(fa)出特征(zheng)谱线(xian)，其性(xing)能较稳定(ding)，而铝(lv)合金(jin)靶则更(geng)容易受激发，其在撞击过(guo)程中(zhong)产生(sheng)的强(qiang)辐(fu)射特(te)征(zheng)谱(pu)线最(zui)丰富(fu)，且在(zai)撞(zhuang)击过程(cheng)中(zhong)产(chan)生了明显的AlO分子(zi)发(fa)射(she)带(dai)，表明撞(zhuang)击过(guo)程(cheng)中(zhong)Al元素发生了(le)氧化反(fan)应；在撞击(ji)钛(tai)合金靶(ba)及(ji)铝合(he)金(jin)靶过程(cheng)中均发(fa)现(xian)了(le)特(te)征(zheng)峰值(zhi)明(ming)显(xian)的(de)NaⅠ、KⅠ特征(zheng)谱(pu)线，表明(ming)靶(ba)板(ban)中的杂质元素相比于(yu)主要(yao)元素更(geng)容易(yi)激(ji)发出(chu)来；从(cong)撞击同一(yi)靶(ba)材的两(liang)次(ci)实验(yan)结(jie)果发(fa)现，光(guang)谱(pu)曲线具有高度一致性(xing)，证明了(le)实(shi)验(yan)数据的(de)可(ke)重(zhong)复性(xing)，且从(cong)撞击光(guang)谱(pu)中(zhong)可(ke)以(yi)分析(xi)出(chu)与撞击材(cai)料有(you)关(guan)的(de)物质成(cheng)分(fen)。
5、参(can)考(kao)文献(xian)
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相关(guan)链(lian)接(jie)
