本文關(guān)鍵詞：超高速碰撞2A12鋁板產(chǎn)生閃光的物理機(jī)制研究

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【摘要】：通過(guò)開(kāi)展超高速碰撞2A12鋁靶過(guò)程產(chǎn)生閃光的物理機(jī)制的研究,對(duì)提高我國(guó)航天器的防護(hù)、深空探測(cè)能力、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相關(guān)天體物理領(lǐng)域、反導(dǎo)彈系統(tǒng)的建立和穿甲武器有著重要的應(yīng)用價(jià)值,對(duì)提高我國(guó)在超高速碰撞領(lǐng)域的研究水平以及促進(jìn)沖擊動(dòng)力學(xué)學(xué)科的發(fā)展意義重大。本文通過(guò)理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行了超高速碰撞產(chǎn)生閃光的物理機(jī)制研究,獲得的主要研究成果如下:1)在總結(jié)前人關(guān)于超高速碰撞過(guò)程能量分配的基礎(chǔ)上,將超高速碰撞厚靶過(guò)程中彈丸的動(dòng)能分配歸納為靶板的變形能、彈丸與靶板作用過(guò)程應(yīng)力波傳播使靶板內(nèi)能的增加、碰撞產(chǎn)生碎片的崩濺能和產(chǎn)生電磁波輻射(閃光)的輻射能,并將上述能量進(jìn)行了定量關(guān)系推導(dǎo)。通過(guò)理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)2A12鋁彈丸以2.61km/s的速度正碰撞2A12鋁靶的能量分配進(jìn)行了定量計(jì)算。研究結(jié)果表明:無(wú)論在彈坑的形貌、尺寸還是輻射溫度等方面,實(shí)驗(yàn)測(cè)量、理論推導(dǎo)與數(shù)值模擬的結(jié)果均基本吻合。同時(shí)表明閃光輻射能量所占比重較小,該實(shí)驗(yàn)條件下的閃光輻射能約為0.262J。2)由于2A12鋁合金材料中93%是鋁元素,那么閃光輻射中主要是鋁元素光譜輻射。本文基于2A12鋁彈丸超高速碰撞2A12鋁靶產(chǎn)生的閃光為研究對(duì)象,研究碰撞過(guò)程中的原子光譜輻射,原子中電子在能級(jí)間躍遷發(fā)射和吸收光子(電磁波輻射)。與此同時(shí),超高速碰撞過(guò)程還會(huì)出現(xiàn)等離子體蒸氣云,即原子發(fā)生了電離。超高速碰撞鋁原子電離產(chǎn)生鋁離子,閃光輻射也包含離子光譜。在玻爾理論的基礎(chǔ)上,計(jì)算鋁原子的能級(jí),根據(jù)原子能級(jí)躍遷理論計(jì)算鋁原子和鋁離子的輻射光譜。通過(guò)二級(jí)輕氣炮加載實(shí)驗(yàn),利用ESA4000光譜儀測(cè)量閃光的光譜輻射強(qiáng)度,利用朗繆爾三探針測(cè)量等離子體蒸氣云的特征。對(duì)閃光輻射的光譜和等離子體的電離度及其之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。得到如下研究結(jié)果:a)理論計(jì)算了Al元素的能級(jí),驗(yàn)證了玻爾理論提出的能級(jí)計(jì)算方法對(duì)Al元素的能級(jí)確定是有效的。同時(shí)探究了Al元素光譜的計(jì)算。b)利用量子力學(xué)對(duì)Al原子周?chē)芗?jí)進(jìn)行描述。結(jié)果表明:在球形殼層中發(fā)現(xiàn)電子的相對(duì)幾率22πr4R隨相對(duì)原子中心的距離r變化的圖形是波動(dòng)的,電子在能級(jí)及其附近運(yùn)動(dòng)。原子核周?chē)碾娮釉谀芗?jí)軌道出現(xiàn)的幾率最大,能級(jí)軌道周?chē)霈F(xiàn)電子的幾率較小。電子能級(jí)躍遷釋放或吸收能量的幾率也是隨原子中電子的位置波動(dòng)變化的,體現(xiàn)在Al元素的原子光譜都有一定的展寬,量子力學(xué)的結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合,有理由認(rèn)為該理論可以基本反映原子的情況。c)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了隨著超高速碰撞速度增大,光譜的波長(zhǎng)較小譜線的輻射強(qiáng)度增加很快,波長(zhǎng)較長(zhǎng)的譜線的輻射強(qiáng)度增加緩慢。d)2A12鋁彈丸超高速碰撞2A12鋁靶產(chǎn)生了等離子體,表明原子發(fā)生了電離,說(shuō)明光譜儀采集到的光譜圖中包含了鋁的離子輻射閃光。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著超高速碰撞的速度增加,等離子體蒸氣云的電子密度快速增加,然而等離子體蒸氣云的電子溫度幾乎沒(méi)有變化。試驗(yàn)中2A12鋁彈丸分別以速度2.75km/s、2.95km/s、3.2km/s、3.3km/s和300的入射角度(彈丸彈道與靶板平面的夾角)超高速碰撞2A12鋁靶,通過(guò)采集實(shí)驗(yàn)中等離子體的特征參量相關(guān)信息結(jié)合數(shù)據(jù)處理,擬合得到了等離子體的最大電子密度與碰撞速度的關(guān)系,擬合結(jié)果近似為:N_e=1.07033×10~(-17)×v~(9.34226)。e)2A12鋁彈丸超高速碰撞2A12鋁靶板產(chǎn)生的等離子體的溫度對(duì)其電離度影響較大,等離子溫度和電離度間近似滿足指數(shù)關(guān)系D=1.81911×10~(-38)×T~(9.17024)。f)2A12鋁彈丸超高速碰撞2A12鋁靶的過(guò)程中,彈丸速度為3.30km/s(彈丸彈道與靶板平面夾角為30°)時(shí)產(chǎn)生了等離子體。計(jì)算結(jié)果表明:原子的電離度為D=5.76×10~(-5),該電離度很小,說(shuō)明電離產(chǎn)生的鋁離子含量很小,所以閃光中由鋁離子產(chǎn)生的閃光輻射強(qiáng)度很小,該結(jié)論已被實(shí)驗(yàn)中采集到的光譜證明。
【學(xué)位授予單位】：沈陽(yáng)理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TJ410;V252.2

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1 張慶明;黃風(fēng)雷;龍仁榮;翟U

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