超高速碰撞产生等离子体云的粒子能量时空分布

为了研究超高速碰撞产生等离子体的粒子能量对航天器电路中元器件的毁伤,获得超高速碰撞产生等离子体粒子能量的时空分布特性是十分必要的。基于超高速碰撞产生稀薄等离子体中带电粒子的运动速度、等离子体的扩散特点,推导出等离子体的粒子能量密度与带电粒子密度及带电粒子运动速度的关系式。进而通过对超高速碰撞2024-T4铝靶实验采集的原始数据分析,利用Matlab编程得到了超高速碰撞2024-T4铝靶产生膨胀等离子体云物理过程中,等离子体的粒子能量密度与带电粒子持续时间及被测点到碰撞点距离的时空分布规律。     

丝阵Z-pinch等离子体辐射图像

研究了丝阵负载Z-pinch的气化及电离过程、等离子体形成及融合过程、等离子体的不稳定性及其发展、先驱等离子体的产生机制及其辐射特性、双层丝阵负载内外层丝阵等离子体的内爆碰撞辐射过程、内爆聚心时刻X光辐射快速变化过程及能量转换机制。在“强光”1号、俄罗斯S300及ANGARA-5-1装置上获得了较全面地反映内爆物理过程的实验结果。     

超高速碰撞LY12铝靶产生膨胀等离子体云的电导率测量

 为了研究超高速碰撞过程中产生的膨胀等离子体云的电导率,设计了适用于瞬态等离子体电导率测量的扫描电探针系统。通过二级轻气炮加载LY12球形铝弹丸,运用设计的扫描电探针系统分别进行了相同入射角度和不同碰撞速度条件下超高速碰撞产生等离子体电导率的实验测量。通过对探针等效电路的分析,获得了在整个物理过程中给定探针位置处产生膨胀等离子体云的电导率随时间的变化关系。实验结果表明：在碰撞角度(与靶板平面的夹角)相同、传感器布局相同的条件下,碰撞速度越大,产生膨胀等离子体云的电导率相对越大。     

膨胀等离子体云的粒子密度时空分布

为了获得超高速碰撞产生等离子体粒子密度的时空分布特性,利用点电荷电场的1维理论模型,综合运用质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和麦克斯韦方程,推导出了等离子体在膨胀过程中粒子密度的时空分布规律。通过对超高速碰撞2024-T4铝靶实验采集的原始数据分析,得到了超高速碰撞2024-T4铝靶产生膨胀等离子体云粒子密度的时空演化规律。     

超高速碰撞产生等离子体的频谱响应特征

 针对探针与接地极板间的阻抗匹配问题,通过对超高速碰撞产生等离子体特征参量诊断系统的理论分析,获得了超高速碰撞产生等离子体的频率组成特征;基于该理论特征建立了一种适用于超高速碰撞产生等离子体的探针测量系统,并利用该探针测量系统进行了LY12实心球形铝弹丸超高速碰撞LY12铝靶实验,得到了该实验中超高速碰撞产生等离子体的功率谱特征。理论分析及实验获得的功率谱结果均表明超高速碰撞产生的等离子体具有低频为主的频谱特征：当频率低于5.8 kHz时,功率谱线比较平滑且幅值较小;频率达到11.0 kHz时,功率谱线的峰值和功率全谱峰值相近。因此频率在5.8~11.0 kHz范围的低频频段对功率谱线的峰值贡献较大,频率超过11.0 kHz时,功率谱线的大幅度抖动对功率谱线的峰值贡献较小。理论及实验结果证明了实验系统的可靠性和实现过程的合理性。     

超高速碰撞2A12铝靶过程中Al~+的光谱辐射特征

材料受到强冲击会产生闪光和等离子体效应。通过超高速碰撞实验并结合多种先进测试手段,推导出了适用于计算超高速碰撞产生等离子体电离度的沙哈(Saha)公式,为超高速碰撞过程中弹丸和靶板的物质组成分析提供了强有力的工具。基于二级轻气炮加载系统结合等离子体特征参量诊断的Triple Langmuir probe诊断系统和光谱辐射测量的ESA4000光谱仪系统,进行了3种不同碰撞速度条件下的超高速碰撞实验。实验结果表明,超高速碰撞2A12铝靶产生闪光辐射中包含Al+的光谱辐射;通过实验数据的解析进一步揭示了光谱强度与弹丸速度的关系。随着弹丸速度的增加,Al+的辐射光谱强度增大,由2A12铝激发的Al+光谱中小波长所对应谱线的辐射光谱强度比长波长所对应谱线的辐射光谱强度增加更快。关于2A12铝靶在超高速撞击载荷下产生铝离子的光谱辐射特征以及辐射温度研究在航天器防护空间碎片、导弹拦截、天体物理及深空探测领域具有重要的应用价值,此外,等离子体的特征参量测量和光谱辐射特征研究,对于在微观层面深刻揭示超高速碰撞现象具有重要的理论意义。     

超高速碰撞产生磁场的1维模型

 为研究超高速弹丸碰撞靶板产生等离子体诱生的磁场,引用已有关于激光产生等离子体的磁场理论,结合麦克斯韦方程和法拉第电磁感应定律得到了超高速碰撞产生等离子体诱生磁场的1维理论模型。基于已有关于超高速正碰撞产生半球状等离子体云诱生磁场的偏微分方程,建立了柱坐标系下超高速斜碰撞产生部分椭球状等离子体云的偏微分方程。通过感应线圈进行了磁感应强度的实验测量,实验结果与模型预言表明,该模型可近似地描述超高速斜碰撞产生等离子体诱生的磁感应强度。     

超高速碰撞产生等离子体电磁特性的研究进展

 综述了国外在超高速碰撞产生等离子体的电磁特性研究方面的现状,主要包括电子温度、等离子体的粒子密度、等离子体的振荡频率及产生的磁场特征等方面。利用等离子体特征参量诊断的扫描Langmuir探针系统、磁感应强度测量的线圈系统及实验系统,进行了超高速碰撞产生等离子体实验,分析了实验中产生等离子体的电磁特性。     

超高速碰撞2024-T4铝靶产生的等离子体对逻辑芯片的干扰

 为了掌握超高速碰撞产生等离子体对航天器上常用典型逻辑芯片产生的干扰,利用自主设计的朗缪尔三探针诊断系统,进行了弹丸（入射速度为6.10 km/s,入射角度为30°）超高速碰撞2024-T4铝产生等离子体的特征参量诊断,测量了给定位置和方位角处等离子体的电子密度,利用数据采集系统对实验给定位置和方位角处逻辑芯片的干扰情况进行了评价。实验结果表明,超高速碰撞产生的等离子体对航天器上常用的逻辑芯片将产生严重干扰。     

超高速碰撞产生弱磁场线圈测量系统

为了测量超高速碰撞过程中产生瞬态弱磁场的磁感应强度,设计了弱磁场测量的线圈系统。阐述了线圈的设计、线圈等效电路的分析、运算放大器的选择及其功能。理论上探讨了自积分电阻对测量频率的影响。通过超高速碰撞实验得到了产生的弱磁场信号,实验记录的测量信号光滑,表明该测量系统具有较好的抗干扰性能。该测量系统的建立将为超高速碰撞产生等离子体的性能研究提供新的手段。     

超高速碰撞产生电磁辐射的微波诊断

为了诊断超高速碰撞产生的电磁辐射,建立了超高速碰撞产生电磁辐射的实验和微波诊断系统。利用建立的微波诊断系统,进行了碰撞速度分别为4.60和4.66 km/s条件下超高速碰撞LY12铝靶产生电磁辐射的微波诊断,分析了实验中产生电磁辐射与靶板厚度及裂纹数的关系。实验结果表明:在实验条件相近的情况下,靶板厚度越小,产生的微波辐射强度越大 ;微波辐射功率正比于碰撞产生的微裂纹数。同时揭示了热激发产生电子和裂纹的存在为超高速碰撞产生电磁辐射的物理机制。     

超高速碰撞天然白云石板产生闪光的实验研究

推导了碰撞产生闪光的射流起爆模型,并利用建立的光纤瞬态高温计测量系统和二级轻气炮加载系统,进行了碰撞速度相近、弹丸入射角度分别为45°和60°(与靶板平面的夹角)时球状铝丸超高速碰撞天然白云石板产生闪光现象的实验测试。实验结果表明:当弹丸为LY12铝、靶板为20mm厚的天然白云石板,碰撞速度分别为1.86km/s和1.96km/s时,弹丸入射角度为45°时的闪光强度峰值大于弹丸入射角度为60°时的闪光强度峰值。     

超高速碰撞闪光强度与碰撞角度关系

为了测量超高速碰撞过程中产生的闪光现象,进而研究相近碰撞速度、不同入射角度(弹道与靶板平面的夹角)条件下超高速碰撞产生闪光在整个物理过程的闪光强度随时间的变化规律,设计了适用于瞬态闪光测量的光学高温计测量系统。通过二级轻气炮加载LY12球形铝弹丸,运用设计的瞬态高温计测量系统分别进行了入射角度为30°,45°,60°和90°相近碰撞速度条件下碰撞LY12铝靶产生闪光现象的测量。获得了平均碰撞闪光强度峰值与碰撞角度的关系,平均碰撞闪光强度峰值随碰撞角度的减小而增大,碰撞角度为30°时表现更为明显。     

超高速碰撞微波辐射强度测量

 针对超高速碰撞物理现象研究需要,为了确认超高速碰撞过程中的电磁辐射信号能作为超高速碰撞产生的可探测物理量之一,利用研制的8 mm微波辐射计在中国空气动力研究与发展中心FD-18A超高速碰撞靶开展了超高速碰撞过程中的微波辐射强度测量初步试验研究。对试验测量方案进行了介绍,获得了弹丸超高速撞击半无限铝靶和半无限铜靶时产生的微波辐射强度测量试验结果。弹丸为直径5 mm 的LY12铝球,撞击速度1.98~4.3 km/s,撞击角为0°,结果表明：在本试验条件下,超高速碰撞产生了明显的微波辐射强度,材料的不同导致碰撞过程中产生的微波辐射强度差别较大。     

超高速碰撞LY12铝靶产生闪光辐射的速度及角度效应

为了研究超高速碰撞产生闪光辐射的速度及角度效应,利用建立的瞬态光纤高温计测量系统结合二级轻气炮加载系统,进行了6种实验条件下的超高速碰撞实验。每组实验使用一组光纤探头,基于实验所获原始数据结合标定,通过Matlab编程处理得到了给定实验条件及光纤探头安装条件下,超高速碰撞LY12铝靶产生的闪光辐射与碰撞速度和弹丸入射角度的关系。实验结果表明,超高速碰撞LY12铝靶产生的闪光辐射在温度峰值出现前近似与碰撞速度和弹丸入射角度(弹道与靶板平面的夹角)正弦乘积的平方成正比;碰撞闪光辐射在温度峰值出现后近似与碰撞速度和弹丸入射角度正弦乘积的0.75次幂成正比,与理论推导结果基本吻合。     

强冲击LY12铝靶产生闪光的辐射强度演化特征

采用理论推导与实验相结合的方法,研究了强冲击LY12铝靶产生闪光的辐射强度演化特征。利用建立的光纤瞬态高温计测量系统与二级轻气炮加载系统,进行了6种实验条件下的强冲击实验。每组实验使用1组光纤探头,光纤探头直接对准碰撞点安装。通过实验所获原始数据结合标定得到了闪光辐射强度随时间的变化关系。实验结果表明,在给定实验条件及光纤探头安装方案下,闪光信号上升阶段的上升系数和衰减阶段的衰减系数在1~5之间。弹丸入射角度相同时,冲击速度越大,最大闪光辐射强度也越大。LY12铝弹丸强冲击LY12铝靶产生的最大闪光辐射强度,对测量波长为488~667nm范围内的幂指数值在7.5~9.0之间变化。