激光作用复合膜体驱动飞片的理论计算和实验研究

王飞 陈朗 伍俊英 孙崔源

王飞, 陈朗, 伍俊英, 孙崔源. 激光作用复合膜体驱动飞片的理论计算和实验研究[J]. 高压物理学报, 2014, 28(4): 489-497. doi: 10.11858/gywlxb.2014.04.016
引用本文: 王飞, 陈朗, 伍俊英, 孙崔源. 激光作用复合膜体驱动飞片的理论计算和实验研究[J]. 高压物理学报, 2014, 28(4): 489-497. doi: 10.11858/gywlxb.2014.04.016
WANG Fei, CHEN Lang, WU Jun-Ying, SUN Cui-Yuan. Theoretical Calculation and Experimental Investigation of Multi-Layer Flyer Driven by Pulsed Laser Beam[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2014, 28(4): 489-497. doi: 10.11858/gywlxb.2014.04.016
Citation: WANG Fei, CHEN Lang, WU Jun-Ying, SUN Cui-Yuan. Theoretical Calculation and Experimental Investigation of Multi-Layer Flyer Driven by Pulsed Laser Beam[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2014, 28(4): 489-497. doi: 10.11858/gywlxb.2014.04.016

激光作用复合膜体驱动飞片的理论计算和实验研究

doi: 10.11858/gywlxb.2014.04.016
基金项目: 爆炸科学与技术国家重点实验室自主研究课题(QNKT14-01)
详细信息
    作者简介:

    王飞(1985-), 女, 博士研究生, 主要从事激光与物质作用以及炸药起爆研究.E-mail:wangfei_609@163.com

    通讯作者:

    伍俊英(1977-), 女, 博士, 副教授, 主要从事爆轰、燃烧和含能材料安全性研究.E-mail:wjy1312@bit.edu.cn

  • 中图分类号: O532.25;O521.3

Theoretical Calculation and Experimental Investigation of Multi-Layer Flyer Driven by Pulsed Laser Beam

  • 摘要: 采用Gurney理论,建立了激光作用复合膜体驱动飞片的理论计算模型。通过修正膜体材料的激光能量吸收系数,对激光作用复合膜体结构形成的飞片速度进行计算,分析了膜体材料和结构组成对飞片速度的影响,确定了形成高速飞片的复合膜体结构。进行了强激光作用复合膜体驱动飞片实验,采用压电薄膜测量了飞片到达不同距离的时间,计算得到飞片的速度和加速度。结果表明:不同激光能量作用下复合膜体飞片的加速特征基本相似,激光能量的变化对飞片加速时间的影响较小,飞片速度随着光爆层厚度的增加呈先增大后减小的趋势;对应于不同的激光能量,光爆层存在最优能量吸收厚度。

     

  • 图  激光作用复合膜体驱动飞片原理

    Figure  1.  Principle of laser-driven multi-layer flyer

    图  未修正时飞片最大速度的计算结果与实验结果[11]比较

    Figure  2.  Comparison of maximum velocity of flyer between measured data[11] and calculated results before correction

    图  修正后飞片最大速度的计算结果与实验结果[11]比较

    Figure  3.  Comparison of maximum velocity of flyer between measured data[11] and calculated results after correction

    图  计算得到的飞片速度与激光能量密度的关系曲线

    Figure  4.  Relation curves of calculated flyer velocities and laser energy density

    图  实验获得的飞片速度与激光能量密度的关系曲线[6]

    Figure  5.  Relation curves of measured flyer velocities and laser energy density[6]

    图  实验系统示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of experimental system

    图  飞片发生器的作用原理

    Figure  7.  Principe of the flyer generating setup

    图  不同激光能量下飞片飞行距离与时间的关系曲线

    Figure  8.  Relation curves of flight distance and time of flyer at different laser energies

    图  不同激光能量作用下飞片速度随时间变化的曲线

    Figure  9.  Velocity histories of flyer at different laser energies

    图  10  不同激光能量作用下飞片加速度随时间变化的曲线

    Figure  10.  Acceleration histories of flyer at different laser energies

    图  11  不同激光能量作用下飞片与激光的能量耦合系数

    Figure  11.  Energy coupling efficiencies at different laser energies

    表  1  计算采用的材料参数

    Table  1.   Material parameters used in calculation

    Material ρ/(g/cm3) Ev/(kJ/g) α/(cm2/s) μeff/(m2/g) k r
    Al 2.70 12.00 0.96 44 0.25 0.56
    Mg 1.74 7.00 0.86 10 0.30 0.51
    Ti 4.54 9.85 0.09 10 0.30 0.53
    Ge 5.23 5.10 0.35 10 0.30 0.49
    C 2.27 59.75 0.94 10 0.03 0.41
    下载: 导出CSV

    表  2  入射激光能量密度为40 J/cm2时不同光爆层厚度对应的飞片速度

    Table  2.   Velocities of multi-layer flyer with different ablation depths at a laser energy density of 40 J/cm2

    Multi-layer film vf/(m/s)
    50 nm 100 nm 150 nm 200 nm 250 nm 300 nm 350 nm 400 nm
    Mg/Al2O3/Al 4 668.7 5 682.3 6 104.9 6 289.9 6 367.7 6 394.9 6 397.8 6 388.9
    Al/Al2O3/Al 4 800.3 5 630.7 5 895.7 5 969.1 5 971.0 5 945.3 5 908.9 5 868.4
    Ge/Al2O3/Al 5 524.7 6 241.2 6 398.1 6 406.7 6 373.0 6 327.4 6 278.7 6 229.3
    C/Al2O3/Al 6 925.9 6 938.5 6 822.2 6 699.9 6 444.2 6 405.3 6 367.1 6 329.6
    Ti/Al2O3/Al 6 004.9 6 287.8 6 263.5 6 204.7 6 142.1 6 079.4 6 017.1 5 955.0
    下载: 导出CSV

    表  3  不同激光能量下飞片到达不同距离靶板的时间

    Table  3.   Flight distance and time of flyer driven by different laser energies

    Ei/(mJ) s/(μm) t/(ns) Ei/(mJ) s/(μm) t/(ns) Ei/(mJ) s/(μm) t/(ns)
    126.3 57.4 31.78 259.3 60.0 25.76 357.2
    116.7 48.33 113.1 38.35 157.0 38.23
    158.0 67.20 157.6 47.10 207.4 45.87
    212.0 82.54 210.0 56.60 256.2 54.27
    264.3 95.50 260.0 68.04 309.5 63.20
    355.6 119.01 359.0 84.99 358.1 69.69
    202.5 57.0 27.84 303.7 108.2 33.82 407.1 104.8 28.47
    104.1 37.16 157.7 42.21 157.7 36.11
    157.2 51.23 208.7 50.32 208.1 42.96
    208.0 60.07 257.9 59.93 256.4 50.61
    257.5 71.84 306.1 67.20 311.5 59.96
    359.0 93.83 357.5 73.97 358.5 65.73
    下载: 导出CSV

    表  4  不同激光能量下拟合得到的参数

    Table  4.   Fitting parameters at different laser energies

    Ei/(mJ) s0 A1 A2 B1 B2 t0
    126.3 -47 287.95 3.022 2.903 0.162 3 0.000 123 7.91
    202.5 -71 152.29 4.548 4.368 0.162 3 0.000 123 7.91
    259.3 -79 411.75 5.075 4.875 0.162 3 0.000 123 7.91
    303.7 -91 351.73 5.838 5.608 0.162 3 0.000 123 7.91
    357.2 -101 321.27 6.475 6.220 0.162 3 0.000 123 7.91
    407.1 -109 644.46 7.007 6.731 0.162 3 0.000 123 7.91
    下载: 导出CSV

    表  5  不同激光能量作用下飞片最大速度及其对应的飞行时间和距离

    Table  5.   Maximum velocity, flight time and distance of flyer driven by different laser energies

    Ei/(mJ) vf, max/(m/s) Flight time
    /(ns)
    Flight distance
    /(μm)
    Ei/(mJ) vf, max/(m/s) Flight time
    /(ns)
    Flight distance
    /(μm)
    126.3 3 032.1 34.5 61.12 303.7 6 005.3 34.5 119.31
    202.5 4 141.5 34.5 91.59 357.2 6 541.8 34.5 131.73
    259.3 5 092.5 34.5 105.01 407.1 6 935.4 34.5 141.64
    下载: 导出CSV

    表  6  不同激光能量下飞片最大速度的计算结果和实验结果

    Table  6.   Calculated and experimental maximum velocities of flyer at different laser energies

    Ei/(mJ) vf, max/(m/s) Relative error/(%)
    Exp. Calc.
    126.3 3 032.1 3 276.8 8.1
    202.5 4 141.5 4 412.1 6.5
    259.3 5 092.5 5 136.9 0.9
    126.3 3 032.1 3 276.8 8.1
    202.5 4 141.5 4 412.1 6.5
    259.3 5 092.5 5 136.9 0.9
    下载: 导出CSV
  • [1] 谷卓伟, 孙承纬, 苏小勇.小型激光器驱动飞片冲击引爆炸药实验研究[J].爆炸与冲击, 2002, 22(1): 88-91.

    Gu Z W, Sun C W, Su X Y. Experimental research on impacting and detonating explosive by mini size laser-driven-flyer[J]. Explosion and Shock Waves, 2002, 22(1): 88-91. (in Chinese)
    [2] 童靖宇, 庞贺伟, 黄本诚.一种新型空间微小碎片超高速碰撞试验地面模拟方法[J].航天器环境工程, 2001(3): 25-32.

    Tong J Y, Pang H W, Huang B C. A new method of space microdebris hypervelocity impact simulation[J]. Spacecraft Envionment Engineering, 2001(3): 25-32. (in Chinese)
    [3] Stahl D B, Gehr R J, Harper R W, et al. Flyer velocity characteristics of the laser-driven miniflyer system[J]. AIP Conf Proc, 2000, 505: 1087-1090. doi: 10.1063/1.1303655
    [4] Swift D C, Johnathan G N, Paisley D L, et al. Laser-launched flyer plates for shock physics experiments[J]. Rev Sci Instrum, 2005, 76(9): 093907. doi: 10.1063/1.2052593
    [5] Paisley D L. Laser-driven flyer plate: USA, US5046423 A[P]. 1991-09-10.
    [6] Trott W M. Investigation of the dynamic behavior of laser-driven flyers[J]. AIP Conf Proc, 1994, 309: 1655-1658. doi: 10.1063/1.46144
    [7] Hatt D J, Waschl J A. A study of laser-driven flyer plates[J]. AIP Conf Proc, 1996, 370: 1221-1224. doi: 10.1063/1.50701
    [8] Labaste J L, Brisset D, Doucet M. Investigation of driving plasma materials for laser acceleration of flyer plates[J]. AIP Conf Proc, 2000, 505(1): 1189-1192.
    [9] Lawrence R J, Trott W M. A simple model for the motion of pulsed-laser-driven thin flyers[J]. J Phys Ⅳ France, 1991, 1(C3): 453-458.
    [10] 曹燕, 龚自正, 代福, 等.激光驱动飞片速度的理论分析[J].航天器环境工程, 2009, 26(4): 307-311.

    Cao Y, Gong Z Z, Dai F, et al. Theoretical analysis on the velocity of laser-driven flyer[J]. Spacecraft Envionment Engineering, 2009, 26(4): 307-311. (in Chinese)
    [11] Bowden M D, Knowles S L. Optimisation of laser-driven flyer velocity using photonic Doppler velocimetry[C]//Dickey F M, Beyer R A. Proceedings of SPIE: Optical Technologies for Arming, Safing, Fuzing, and Firing Ⅴ. San Diego, USA, 2009: 743403.
    [12] Paisley D L, Luo S N, Greenfield S R, et al. Laser-launched flyer plate and confined laser ablation for shock wave loading: Validation and applications[J]. Rev Sci Instrum, 2008, 79: 023902. doi: 10.1063/1.2839399
  • 加载中
图(11) / 表(6)
计量
  • 文章访问数:  6783
  • HTML全文浏览量:  2081
  • PDF下载量:  397
出版历程
  • 收稿日期:  2012-06-28
  • 修回日期:  2012-08-21

目录

    /

    返回文章
    返回