[实用新型]高速粒子流动量测试装置

说明书

技术领域

本实用新型属于高速碰撞领域，具体地，涉及一种高速粒子流动量测试装置。

背景技术

在超高速碰撞领域，弹丸/飞片与靶板高速撞击产生的碎片云、微物质喷射等，是材料动高压物理性质、防护结构设计、武器内爆过程的重要研究内容。在工程应用领域，例如燃烧过程中微颗粒对高速涡轮发动机叶片的高速侵彻，将显著降低叶片的服役寿命。对高速粒子流（如碎片云、微喷物质）动量分布的实时测量，在理论与实验研究等方面具有重要意义。其一，粒子流性态是研究高速撞击等复杂过程中材料损伤破坏的基础，如弹丸/靶板高速撞击产生的碎片云，蕴涵着撞击瞬间材料冲击压缩与破坏特性等信息；粒子流的动量分布特性，也是研究高速粒子流对防护结构破坏效应的基础。其二，基于高速粒子流动量分布的定量诊断技术，可以搭建高速粒子流实验发射平台，例如实验模拟碎片云/防护结构撞击破坏效应，以及高速喷射颗粒对发动机叶片的侵彻破坏，等等。

当前对碎片云、微喷射物质的诊断一般采用多幅闪光X光成像技术、激光全息技术，或软回收试验。闪光X光成像技术与激光全息技术等是一种原位诊断技术，能够实时（多幅）描绘粒子流的分布轮廓与相对密度分布等，如美国Sandia国家实验室应用X-ray 闪光照像获得的碎片云瞬态形貌，中国工程物理研究院流体物理研究所应用激光阴影照相技术获得的碎片云瞬态形貌，以上技术给出碎片云分布的直观图像，但是一般难以给出粒子流动量分布的定量信息，并且受X光光斑大小等局限，颗粒分辨能力一般局限在微米尺度以上。

对高速粒子流（如碎片云）空间分布的实时定量诊断是一项重要并具有挑战性的工作。传统测试方法应用3-5毫米平板（验证靶）接收高速碎片云，通过获取验证靶自由面的实时速度反演高速颗粒的动量分布。严格地讲，验证靶测试技术基于一维平面应变工况设计，即仅适用于粒子流具有一维空间分布的特例；并且受验证靶（或窗口）厚度的局限，测试有效时间一般在几个微秒以内。对于具有二维以上空间分布的高速粒子流，该测试方法仅仅应用于碎片云计算模型的实验校核，不能直接获得高速粒子流的动量空间分布信息。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种高速粒子流动量测试装置，该测量装置对碎片云、物质喷射的动量分布的定量测试，为高速粒子流的产生机理、材料力学模型研究等提供有效途径。在工程应用方面，对高速粒子流的量化表征，是开展粒子流/结构材料高速撞击效应实验的基础，为结构/材料优化设计提供实验评估平台。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：高速粒子流动量测试装置，包括测试装置主体、接收器主体、速度信号检测记录设备，测试装置主体内具有等直径的运动腔道；接收器主体直径与运动腔道相匹配并且置于运动腔道内，在高速粒子流的作用下沿运动腔道轴向运动，接收器主体正对高速粒子流的端面设有铝膜，另一端设有高阻抗薄膜；用于检测和记录接收器主体运动速度的速度信号检测记录设备与测试装置主体固定连接或分体连接。

所述速度信号检测记录设备由示波器和多普勒激光速度干涉仪组成，将多普勒激光速度干涉仪的光纤探头固定于测试装置主体的运动腔道内，将高阻抗薄膜运动速度信号转化为激光干涉条纹并由示波器实时记录。

所述接收器主体为直径1-4毫米、厚度1-2毫米的蓝宝石单晶。

所述高阻抗薄膜为声阻抗接近于接收器主体材料的声阻抗，厚度为亚微米的铜膜或银膜。

利用本实用新型的高速粒子流动量测试装置进行高速粒子流动量分布实时测量方法，包括下述步骤：

1）在高速粒子流运动方向的前方设置至少上述的高速粒子流动量测试装置，高速粒子流动量测试装置的接收器主体具有铝膜的一端正对高速粒子流，高速粒子流的动量传递给接收器主体，使接收器主体产生连续的加速运动；

2）高阻抗薄膜的运动速度与接收器主体的运动速度一致，通过多普勒激光速度干涉仪将高阻抗薄膜运动速度信号转化为激光干涉条纹，由示波器实时记录下来，通过数据处理，得到高阻抗薄膜的运动速度历史，通过高阻抗薄膜的运动速度历史反演高速粒子束流的瞬态动量；通过空间多点分布的高速粒子流动量测试装置进行速度测量，确定高速粒子束流的空间动量分布。

上述的步骤2）中数据处理及反演高速粒子束流的瞬态动量的方法为：a、对处于一维应力弹性变形状态的蓝宝石接收器，应用一维差分流体动力学计算方法，将三个流体动力学方程：动量守恒、材料线性本构关系、质量守恒进行空间与时间的离散，