1、引言

超高速碰撞過程中產生的沖擊閃光現象包含著關鍵機制、撞擊材料和撞擊環境特征[1]等重要信息。通過對碰撞過程中的撞擊閃光圖、輻射特征曲線、等離子體[2]等的研究，可以揭示碰撞過程中的彈體撞擊姿態、彈靶成分、輻射演化過程等重要信息。這對于推進深空探測研究、反導系統、目標毀傷效果評價等領域都具有重要意義。

在過去的幾十年里，撞擊閃光已成功應用于星體探測[3]、武器毀傷評估[4]、材料分析[5]等領域，美國國家航空航天局艾姆斯研究中心完成了“Tempel1”的深度碰撞實驗，揭示了“Tempel1”彗星的物質組成成分[3][6]。美國陸軍研究實驗室開展了一系列武器撞擊產生可見光和紅外光實驗，通過對采集的不同波長光譜信號的分析，推斷出彈丸對目標靶板的毀傷情況[4]。Lawrence等人分別使用二級、三級輕氣炮和Z裝置加載不同材質的彈丸以不同速度碰撞鋁靶，測量了碰撞發光可見光及紅外光譜，并對連續和間斷光譜輻射的演化特征進行了研究[7][8]。國內的黃雪剛、石安華[9]等人提出一種空間碎片沖擊損傷評估方法，為提高軌道飛行器在空間碎片沖擊下的生存能力奠定基礎。薛一江[10]等人采用輕氣槍進行了一系列沖擊閃光實驗，揭示了沖擊閃光機制。杜雪飛[11]開展鋁彈丸撞擊鋁靶的高速碰撞實驗，并對撞擊產生的氣化產物沖擊波的運動速度進行了測量，建立了適用于研究氣化產物運動特性的理論模型。

董文樸[12]等人揭示了撞擊過程中出現的輻射強度峰值與靶室壓強的關系。司宇[13]等人對侵徹過程中選取高速攝影的最佳可見光波段進行了研究測量。龔良飛[14]等對高速碰撞閃光光譜的輻射模型進行了闡述。劉立恒[15]等人對黑索金（RDX）靶材超高速撞擊輻射特征進行了研究，得到了不同靶材輻射特性之間的差異。蘇海鑫[16]等對靜態TNT爆炸閃光隨時間演化過程進行了分析。

目前高速碰撞實驗大都集中在室內輕氣炮裝置上鋁、銅彈靶的碰撞角度、速度、靶式壓強對光譜輻射特征的影響，或彈丸撞擊非金屬靶材料時，靶板的揮發性及孔隙度對光譜輻射強度的衰減影響，缺少彈丸對不同金屬靶材的外場實驗數據。基于此，設計了瞬態閃光光譜采集測量系統，開展了鋼彈丸高速撞擊鈦合金靶、鋁合金靶及特鋼靶3種靶材的輻射特性實驗，分析了彈丸撞擊不同靶材的特征譜線與輻射強度，為評估撞擊材料目標毀傷特性提供依據。

2、瞬態光譜探測方案設計

2.1探測系統整體設計

目前國內對于高速沖擊實驗大都集中在探測環境良好、實驗條件可控的室內輕氣炮裝置上，然而實際的外場實驗環境干擾因素多、光照強，基于此提出一種適用于復雜外場環境下的瞬態光譜采集方案，設計原理如圖1所示。彈丸碰撞靶板經過延時提供觸發信號，瞬態光譜采集測量系統開始測量。探測時，沖擊閃光通過光纖準直系統，當光強過高時，由可調節光衰減器完成光強調節，再由觸發器控制光纖光譜儀進行光譜信號采集，上位機軟件記錄瞬態光譜信息，最后利用專用軟件完成數據分析。

2.2瞄準成像光路設計

實驗采用的光纖纖芯很細，其可探測的范圍很小，所以要想探測到整個靶面，光譜信號就需要通過擴束鏡頭來達到實驗目的。將激光光源瞄準在需探測區域，通過光纖連接至擴束鏡頭，根據光源信號瞄準的光譜采集位置調節擴束鏡頭的位置、焦距及光圈大小等參數。待激光光源瞄準完畢后，穩定擴束鏡頭并接入光譜儀，完成光譜信號的采集。利用這種光纖準直系統，既可以保證采集系統的遠距離瞄準，又可以擴大可探測范圍。如圖2所示為光纖擴束鏡頭結構圖。

2.3實驗條件

在相同碰撞角度下，采用14.5mm彈道槍，以1300~1500m/s速度分別撞擊不同金屬靶完成撞擊實驗，探測距離為5米，采用USB4000光纖光譜儀捕捉瞬態光譜信號，波長探測范圍為350~900nm，實驗狀態參數表如表1所示。

其中a靶為鈦合金靶，b靶為鋁合金靶，c靶為特鋼靶。

3、數據分析

3.1撞擊閃光光譜

實驗測得的鋼彈丸分別撞擊鈦合金靶、鋁合金靶及特鋼靶在350~900nm波段內的撞擊光譜結果對比圖如圖3、4所示。

由圖3、4可知，碰撞光譜由線光譜和連續光譜組成。線光譜由撞擊過程中的能級躍遷產生，其中原子發射光譜呈現為單峰形態。在撞擊角度相同、速度相近的情況下，鋼彈丸撞擊鋁合金靶時會產生明顯的AlO[1][17]分子發射帶，（圖中顏色帶），表明鋁原子與環境中的氧發生了燃燒現象，AlO也是相對原子發射增加的新產物，且鋁合金靶激發的強特征譜線明顯比鈦合金靶和特鋼靶豐富，而特鋼靶幾乎沒有激發出明顯的線狀譜線。

3.2光譜對比分析

將三種靶材的成分與獲得的輻射光譜進行對應，利用LIBS技術分別對三種靶材進行本征光譜提取。如圖5為實驗所用的鈦合金靶樣品的本征光譜，其中標紅部分為高速碰撞實驗2激發出的與本征光譜相同的元素成分，碰撞光譜中有明顯的鈉、鉀元素線光譜，根據金屬活動性及元素所需的激發電位，鉀元素與鈉元素相比于鈦合金中的主要元素（Ti）及其他微量元素（V、Fe、Sn、Cr等）更活潑，所以更容易激發出來。具體如表2所示。（其中光強值為實驗2測得的相對光強值，并非實際光強。）圖6為實驗所用特鋼靶樣品的本征光譜，與實驗6獲得的實測光譜圖對比分析，該實驗條件下只激發出中心波長為438.27nm的Fe原子譜線（圖中標紅部分），其他波段并沒有激發出明顯線狀譜。我們推測可能是因為在1300~1500m/s的速度范圍內，沒有足夠的外界能量，使特征元素激發出來；撞擊過程中產生的熱輻射強度高于原子躍遷輻射強度致使線性譜淹沒在連續譜中。此時，撞擊過程中的電子能級躍遷釋放光子的概率變小，線光譜強度大大減弱。后續將采用更高彈丸速度、更高靈敏度光纖光譜儀進行進一步研究。

圖7為實驗樣品鋁合金靶本征光譜圖，經過與實驗3實測光譜圖對比分析，發現了AlⅡ譜線，AlⅡ的存在說明撞擊過程中鋁原子發生了電離，存在部分電離的等離子體，特征峰值元素對應表如表3所示。(其中光強值為實驗3測得的相對光強值。）

4、結論

在90°撞擊角、1300~1500m/s撞擊速度的實驗條件下，通過測量分析鋼彈丸分別撞擊鈦合金靶、鋁合金靶、特鋼靶的350~900nm波段的光譜信號，實驗發現：三種靶材相比，特鋼靶難以激發出特征譜線，其性能較穩定，而鋁合金靶則更容易受激發，其在撞擊過程中產生的強輻射特征譜線最豐富，且在撞擊過程中產生了明顯的AlO分子發射帶，表明撞擊過程中Al元素發生了氧化反應；在撞擊鈦合金靶及鋁合金靶過程中均發現了特征峰值明顯的NaⅠ、KⅠ特征譜線，表明靶板中的雜質元素相比于主要元素更容易激發出來；從撞擊同一靶材的兩次實驗結果發現，光譜曲線具有高度一致性，證明了實驗數據的可重復性，且從撞擊光譜中可以分析出與撞擊材料有關的物質成分。

5、參考文獻

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