高超声速钝锥模型及其尾迹红外辐射实验研究

介绍了利用InSb红外辐射计在弹道靶上测量底部直径为10mm、半锥角和头部半径分别为9°、2.2mm(模型A),8°、0.6mm(模型B)的两种非烧蚀钝锥模型及其尾迹的红外辐射.模型速度大于6km/s,飞行环境压力约4.8kPa,红外辐射测量波段为1~3μm、3~5μm.结果表明:非烧蚀钝锥模型头身部红外辐射远大于尾迹红外辐射,在相同飞行速度和环境压力条件下,模型A产生的红外辐射比模型B产生的红外辐射强.     

红外分子标记测速法

分子标记测速法（MTV）和粒子成像测速法（PIV）常被用于流动显示和流场成像测量,但在示踪粒子跟随性差、示踪粒子分布不均匀时,示踪粒子的引入会给PIV带来速度测量系统误差,而不需引入示踪粒子的MTV因荧光寿命长度限制,主要应用在高速和超声速流动测量中。为了发展无需示踪粒子、可适用于低速气流场的二维流速成像方法,本文介绍了一种基于激光诱导红外荧光的新型分子标记测速法,并在二氧化碳气体轴对称湍流射流中进行了速度测量与验证。在红外分子标记测速法中,通过红外脉冲激光选择性激发气体小分子的共振振动能级跃迁实现分子的标记,随后通过红外相机对不同时刻下跟随流场流动的激发态分子记录其发射荧光分布,进而处理得到流动速度场信息。通过考虑分子振动能量传递过程模型、有限荧光寿命、横向速度分量和分子扩散运动对荧光分布的影响,实现从荧光分布图像定量获取速度场分布。将该方法应用于5～51 m/s速度的二氧化碳湍流射流中,得到了射流轴向速度的径向分布,速度测量的相对不确定度优于8%,径向空间分辨率达到107μm,且该速度分布与湍流射流理论结果及前人实验测量结果符合较好。利用该方法分辨了射流在不同轴向位置的径向速度分布...     

冲击压缩下甲烷的状态参数实验研究

为了研究冲击压缩下用作电探针保护介质的甲烷气体状态参数 ,用二级轻气炮加载方法加速平面钨合金飞片到 4.77km/s、4.89km/s和 5 .0 5km/s,撞击封装有甲烷气体的铝靶。采用六通道瞬态光学高温计系统记录下甲烷气体的高温辐亮度历史 ,拟合出甲烷的表观辐亮度温度。给出了对应飞片速度下初始压力为 0 .1 2MPa的甲烷气体的冲击压缩参数。实验分析表明 ,强冲击波压缩下的甲烷波后温升较小 ,冲击波后的气体存在非平衡热辐射过程和非平衡化学反应区。分析认为 ,甲烷气体是优越的电探针保护气体     

磁扩散电弧运动图像实验研究

电弧等离子体与气体之间的相互作用机理研究一直在低温等离子领域受到关注。为了获得比较均匀的大面积直流电弧等离子流，设计了一种利用外磁场驱动电弧旋转的等离子发生器。利用高速摄影技术研究了大气压条件下氩电弧等离子体在弧室中的运动情况，得到了典型的螺旋型电弧照片，分析了外部磁场对电弧运动形状、电弧电压的影响和弧根附近的气流扰动情况，认为磁场分布的不均匀性是导致电弧形状多样性和不稳定性的主要原因，而阴极烧蚀引起了弧根区气流扰动的不对称性。     

弹道靶红外辐射测量

为深入认识再入物理现象 ,在弹道靶上做了模型头部和近尾流红外辐射测量。发射器为 1 4.5mm口径的二级轻气炮 ,模型为1 0mm的球 ,材料为聚碳酸酯和铝 ,模型发射速度 4～6km/s,使用红外InSb探测器测量波长 3～ 5 .4μm的红外辐射 ,靶室压力 5 .32kPa。实验中使用光电法测量模型速度 ,两站阴影照相进行模型姿态监测和速度核实。实验结果表明 :球模型的红外辐射强度强烈依赖于模型材料和模型飞行速度。对不同材料模型头部和尾流部辐射强度的定性比较说明由于低温材料烧蚀产物的存在 ,极大地增强了头部和近尾流区的辐射强度 ,而且延长了尾流辐射长度     

电探针保护气体的优选原则

为了研究强冲击波作用下不同气体对电探针保护能力的差异,通过化爆加载实验分别观察了氦气、氩气和甲烷气体在不同冲击波强度下电探针电路的导通现象,实验发现冲击波马赫数在7.5～12.1范围内,氦气和甲烷气体均能有效地保护电探针,而氩气环境下的电探针电路产生提前导通现象。并用一维流体动力学理论分别计算了在相同的初始条件和3～8km/s范围内的六种不同飞片速度下氦气、氩气和甲烷的冲击状态参数。通过对这些状态参数和相关物性的分析,提出了电探针保护气体的优选原则。     

层合复合材料薄板高速冲击损伤研究

针对任意角度铺层的复合材料层合薄板基于高速冲击过程中的能量守恒,建立了复合材料层板高速冲击问题的力学分析模型.该模型考虑了纤维断裂、基体裂纹和分层3种主要损伤形式.根据高应变率下单层板的本构关系,采用波的传播理论,计算复合材料层板冲击后的变形区尺寸和层板应变场,利用能量守恒迭代求解弹体的冲击剩余速度和弹靶接触力等参量.文中着重研究了复合材料层合薄板高速冲击中的损伤面积和形状,详细讨论了冲击速度,弹体直径以及靶板铺层情况对损伤形状和大小的影响.数值分析结果与试验吻合,证明了本文模型的有效性.     

穿地器穿孔混凝土靶

本文实验研究了长卵头穿地器高速穿孔混凝土靶,零攻角,正撞击。实验中测定并分析了穿地器的最大加速度及其和靶的变形特性。因是侵彻混凝土厚靶,非半无限靶,靶的后部显著痴裂,故该长卵头穿地器弹道稳定,生存速度高于720m/s。     

关于粒子图像测速仪精度的数值测试

利用数值模拟的方法对粒子图像测速仪的精度问题进行了数值实验。速度场是通过对一个片光源上两次曝光的图像进行互相关处理来得到的。为了研究流体运动的不均匀性对于一个诊断区内速度矢量测量结果的影响，针对五种典型的不均匀性进行讨论。数值实验的结果表明有几种流体运动不均匀性会显著地影响这种粒子图像测速方法的精度。     

片光反射遮挡式超高速亚毫米粒子探测技术

为满足在超高速碰撞靶上开展航天器抗空间碎片防护性能试验,需要准确测量速度3~10km/s,以及更高速度的毫米级或亚毫米级粒子的飞行速度,在可以实现毫米级粒子探测的片光遮挡式粒子探测技术基础上发展了片光反射遮挡式粒子探测技术,通过采用提高粒子直径与激光光束宽度的比值,解决了探测粒子直径小于1mm时探测信号弱不能识别等关键技术,研制了试验装置并开展了验证试验,研究结果表明该技术在0.2~10km/s速度范围内可实现直径为0.1mm量级粒子的有效探测.     

高速冲击下块体金属玻璃动力学响应的实验研究

块体金属玻璃具有极高的力学强度,存在潜在的军事应用价值,实现其应用的关键在于认识材料在高应变率下的动力学行为特性。为此,利用飞片驱动速度可达3.5 km/s 的电炮加载装置,对一种新制备的锆基块体金属玻璃的动力学响应进行了实验研究。实验中,基于高精度DPS激光干涉仪测得的样品/窗口界面粒子速度波剖面,获得了新材料在应变率约为106/s下的冲击响应特性参数。在加载压力15~25GPa 范围下,确定的 Hugoniot弹性极限约为2.4GPa,线性拟合得到的冲击 Hugoniot关系为Ds=(4.4±0.1)+(0.58±0.08)up。     

多序列激光阴影成像技术研究及应用

为获取超高速碰撞过程中弹丸的飞行姿态及碰撞所产生的碎片云特性,开展了多序列激光阴影成像技术研究。利用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大和补偿滤光等技术解决了单色光带来的衍射和干涉噪声以及碰撞瞬间强烈的自发光干扰问题,并先后在碰撞靶上建立了2序列、4序列和8序列激光阴影成像系统。该系统可以获得最小间隔1μs、曝光时间10ns、像素1000万的多个不同时刻的超高速瞬态变化过程图像,并在超高速碰撞靶试验中得到应用,获得了2~7km/s 撞击速度时碎片云的多序列阴影图像,该序列图像清晰地描述了碎片云的轮廓发展变化过程。该技术以低成本的方式实现了超高速摄影机的功能,满足目前碰撞试验粒子的飞行姿态及碎片云显示需要,并可以应用于其它超高速瞬态过程测量及流场结构显示。     

基于CVAE的超高速碰撞碎片云运动过程的快速预测技术

在航天器防护构型设计中，需要快速、精确预测空间碎片超高速撞击防护屏产生碎片云的质量分布及其运动过程。采用深度学习方法，基于条件变分自编码器（CVAE）模型和大量铝球超高速正撞击铝板的光滑粒子流体动力学（SPH）方法的数值模拟结果，初步构建了碎片云空间质量分布与运动特征的快速预测模型。数值模拟中把铝球速度（3.00～8.00 km/s）、铝球半径（2.00～8.00 mm）、铝板厚度（1.000～4.000 mm）以及观测时间（1.0～12.0 μs） 4个变量作为输入控制参数，生成大量格式统一的训练集数据。模型隐藏层采用200个特征数据来描述碎片云质量分布，训练集参数范围内平均误差在0.6%以内，生成一个碎片云质量分布的平均时间小于7 ms。     

冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

SPH方法在层裂损伤模拟中的应用

采用光滑粒子流体动力学方法和Johnson—Cook拉伸累积损伤破坏模型,分别对工业纯铁和无氧铜两种材料的平面碰撞问题作了数值模拟。给出了靶板层裂损伤的二维数值模拟结果。通过对比自由面速度曲线的计算结果和实验数据,二者吻合的很好,验证了SPH方法层裂破坏问题数值模拟的有效性。通过分析由不同拉伸损伤时间常数得到的自由面速度曲线,表明拉伸损伤时间常数对计算结果有重要影响。     

混凝土房屋结构靶的超高速撞击特性研究

为了研究动能武器对混凝土类目标的毁伤效果,采用试验和数值仿真手段,对钨合金弹丸超高速撞击混凝土房屋结构靶进行了研究,探讨了混凝土房屋结构靶在超高速撞击条件下的毁伤特点。试验所用的钨合金弹丸重35g,长径比为5,撞击速度2.5km/s;混凝土房屋结构靶抗压强度34.4MPa。研究发现:在开展的试验条件下,房屋结构靶顶层板和底层板被穿透,未发生解体破坏;靶体中加筋对靶体的穿孔大小及结构破坏没有明显的降低作用;速度2.5km/s的弹丸经撞击40mm厚混凝土板后的速度降到2.0~2.3km/s 范围内;弹丸超高速撞击混凝土房屋结构顶层板形成的碎片云速度较高,部分碎片对人员具有较强的杀伤效果,该部分碎片的扩张角为23°,在底层板上的分布范围大于穿孔大小。     

CO2中速度5~7 km/s自由飞圆球流场参数的实验测量和数值模拟

为研究火星进入条件下的非平衡流动特性，在中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所弹道靶上测量了CO₂中针对火星探测器进入速度范围5~7 km/s条件下的自由飞圆球的激波脱体距离。实验数据基于阴影法测量，并将其与数值计算结果进行对比，进一步计算了实验流场温度和组分分布等流场参数。一般认为激波脱体距离随来流速度升高而呈单调减小趋势，但研究结果表明:实验状态下，圆球飞行速度约5.5~7.0 km/s的范围内，圆球激波脱体距离随飞行速度升高而增大；采用Park的双温度非平衡模型和5组分6反应的CO₂化学反应动力模型可基本再现本文自由飞圆球激波脱体距离的实验测量数据；根据计算结果推测，本实验状态下自由飞圆球波后靠近激波一侧区域的流场主要处于热化学非平衡状态；当来流速度在约5.5~7.0 km/s的范围内时，流场组分CO开始发生显著离解，是引起圆球激波脱体距离在该速度范围内随速度升高反而增大的可能原因。     

超高速碰撞碎片云的四序列激光阴影照相

为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性,在中国空气动力研究与发展中心超高速所碰撞靶上发展了四序列激光阴影照相系统.该系统由YAG激光光源、阴影仪、成像系统和控制系统组成,在采用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大、补偿式滤光等技术后,获得了撞击速度v=4. 6km/s时碎片云的四序列阴影照片.笔者对该系统的工作原理、调试情况及试验结果进行了介绍.调试及试验结果表明:(1)该系统可以获得最小间隔为1μs、曝光时间为10ns的4个不同时刻的超高速碰撞碎片云图像,满足碰撞试验中对碎片云照相的要求;(2)该技术可以发展为更多序列激光阴影照相系统,并应用于其它超高速瞬态过程的测量显示.     

模型表面温度对光电特性影响的实验研究

对在JF-10氢氧爆轰驱动高焙激波风洞中开展烧蚀材料模型表面温度对光电特性影响的实验方法进行了探索.风洞实验状态的驻室总压约为20MPa,驻室总温约为6000K,自由流速度约为4km/s.实验以锑化铟多单元红外成像系统与电离列阵测试装置为测量手段,用以烧蚀材料为头部的球头钝锥体模型,实验测量激波层中红外辐射的横向剖面分布和壁面附近电离密度的剖面分布,并在烧蚀材料加热和不加热两种情况下进行了对比实验.实验结果表明:烧蚀材料的加热加强了模型头部激波层中的红外辐射,同时也增大了模型表面的电子密度.     

钝体入水时的水下声场的测量

对钝体入水时的水下声场进行了深入研究。在水中大约30个不同的测点上，测量了入水时产生的水中激波(声波)的压力，从而获得了激波的空间能量分布及其传播速度的实验数据。