CN106199053A - 一种轻气炮毫米级弹丸测速系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超高速碰撞实验技术领域，特别涉及一种弹丸的测速系统。一种轻气炮毫米级弹丸测速系统，其技术方案是：两块或两块以上的光幕靶(7)间隔放置，靶板(1)设置在最后一块光幕靶(7)的后方，每块光幕靶(7)中的光电二极管接收装置(74)连接至脉冲盒(2)；脉冲盒(2)一路连接至示波器(3)，另一路连接至数字信号发生器(4)；数字信号发生器(4)连接并用于触发超高速分幅相机(5)以及ICCD光谱仪(6)。本发明使用多块反射式光幕靶组成毫米级弹丸测速系统，解决了超高速碰撞实验时毫米级非金属弹丸测速问题和配套测量设备的同步触发问题以及磁测速装置对金属弹丸进行超高速碰撞测量时存在的缺陷。

Description

一种轻气炮毫米级弹丸测速系统
技术领域
本发明属于超高速碰撞实验技术领域，特别涉及一种毫米级弹丸的测速系统。
背景技术
在实验室条件下，以轻气炮作为加载手段进行的超高速碰撞实验对于反弹道导弹技术、陨石撞击下宇宙飞船的防护技术、类地行星表面陨石坑研究、高速撞击下发生热核反应的概念研究、以及高压下材料响应特性等研究领域具有非常重要的意义。常见二级轻气炮的结构如附图1所示，由高压气室、一级段、高压锥段、二级段和靶室等部分组成，可以将直径6mm以内的弹丸加速至3～6km/s。超高速碰撞产生的冲击压力远大于弹和靶的材料强度，此时材料性质可用流体作近似处理。
在超高速碰撞条件下，使用常见的接触式测速方法如网靶或箔靶测速，会对弹丸造成严重损伤。目前应用于常规尺寸弹丸测速的光幕靶，结构如附图2所示，由于发射装置和接收装置的尺寸限制，对于捕捉毫米级的弹丸也是无能为力。若使用高速摄影装置，理论上每秒至少需要拍摄上百万帧才能实现准确测速，而这样的设备不但价格昂贵还要配套足够亮的照明系统，所以使用金属弹丸进行超高速碰撞实验时，一般使用磁测速装置测量弹丸速度，但对于非金属弹丸是无法使用磁测速方法的。
使用磁测速装置对金属弹丸进行超高速碰撞的测量也会存在缺陷，如附图1所示，磁测速装置的孔径一般略大于球形弹丸的直径，所以必须安装在发射炮管的末端；若安装在靠近靶板的一侧，弹丸很可能由于发射偏差而无法顺利穿过磁测速装置。超高速碰撞产生等离子体以及闪光等电磁辐射现象是近期研究的热点，这一过程受靶板材料、厚度和碰撞速度等因素影响持续时间在5～20μs左右。进行超高速碰撞实验时，用于观测粒子云和碰撞闪光的超高速分幅相机、光谱仪等设备需要使用磁测速装置的信号同步触发。由于磁测速装置不能安装在靠近靶板的一侧，导致二者的距离一般会大于1m，而二级轻气炮发射速度的偏差在±5％左右，以5km/s的发射速度为例，触发延迟为1m/5km/s＝200μs，而由于发射速度的偏差实际触发延迟为1m/[5km/s(1±5％)]＝200±10μs，这个误差对于研究持续时间在5～20μs左右的碰撞闪光等电磁辐射现象来说是致命的。
发明内容
本发明的目的是：提供一种轻气炮毫米弹丸测速系统，以解决现有测速装置无法对小尺寸非金属弹丸进行测速的问题；同时该测速系统也适用于金属弹丸,能够解决磁测速装置对金属弹丸进行超高速碰撞测量时存在的缺陷。
本发明的技术方案是：一种轻气炮毫米级弹丸测速系统，它包括：靶板、脉冲盒、示波器、数字信号发生器、超高速分幅相机、ICCD光谱仪以及光幕靶；
光幕靶包括：上反射镜、下反射镜、激光发射装置以及光电二极管接收装置；上反射镜与下反射镜均为反射率98％以上的前镀膜反射镜，二者上下平行设置，水平精度误差在4″以内；激光发射装置与光电二极管接收装置分别安装在下反射镜的两侧，激光发射装置选用光斑直径小于0.4mm的激光光源，按设定角度发射光线，该光线在上反射镜与下反射镜之间呈折线形反射，形成最大间距为2mm的光栅，最终该光线反射至光电二极管接收装置；
两块以上的光幕靶间隔放置，靶板设置在最后一块光幕靶的后方，每块光幕靶中的光电二极管接收装置分别通过脉冲盒连接至示波器；同时与靶板最近的光幕靶的光电二极管接收装置通过脉冲盒连接至数字信号发生器；数字信号发生器连接并用于触发超高速分幅相机以及ICCD光谱仪。
有益效果:(1)本发明使用多块反射式光幕靶组成毫米级弹丸测速系统，解决了超高速碰撞实验时毫米级弹丸测速问题和配套测量设备的同步触发问题；
(2)本发明通过两块高度平行的前镀膜反射镜形成光幕格栅极大简化了光幕靶的光路结构和电路结构，通过光电二极管作为接收装置极大提高了测速系统的灵敏度和可靠性。
附图说明
图1是常见二级轻气炮结构示意图；
图2是常见光幕测速靶结构示意图；
图3是本发明的结构原理图；
图4是本发明中光幕靶的原理图；
图5是实施例中光幕靶的结构示意图；
图6是实施例中脉冲信号示意图；
图7是实施例中光幕靶平行反射镜水平精度要求原理图。
具体实施方式
参见附图2、3，一种轻气炮毫米级弹丸测速系统，它包括：靶板1、脉冲盒2、示波器3、数字信号发生器4、超高速分幅相机5、ICCD光谱仪6以及光幕靶7；
光幕靶7包括：上反射镜71、下反射镜72、激光发射装置73以及光电二极管接收装置74；上反射镜71与下反射镜72二者上下平行设置，水平精度误差在4″以内；激光发射装置73与光电二极管接收装置74分别安装在下反射镜72的两侧，激光发射装置73呈设定角度的发射光线，该光线在上反射镜71与下反射镜72之间呈折线形反射，形成最大间距为2mm的光栅，若同时使用两组激光发射装置73以及光电二极管接收装置74，可以将光栅加密至1mm，最终该光线反射至光电二极管接收装置74；
上反射镜71与下反射镜72必须选择反射率98％以上的前镀膜反射镜。经n次反射的光强In＝I0εn，ε为反射率。当ε＝99％时，I50＝0.605I0；当ε＝98％时，I50＝0.360I0；当ε＝97％时，I50＝0.218I0。可见，当反射率低于98％，多次反射后光线的衰减非常严重。
激光发射装置73选用光斑直径小于0.4mm的激光光源。
形成毫米级光栅的另一难点是对两块反射镜水平度的要求，如附图7所示，黑色为理论光路图，灰色为实际光路图，每反射一次会形成ΔL的误差，ΔL＝H[tan(2Δθ+θ)-tanθ]，θ为初始入射角，Δθ为水平精度误差。为了在50次反射之后将光栅L的误差控制在±10％以内，因此上反射镜71与下反射镜72的水平精度误差必须控制在0.02mm/m，即4″以内。
两块或两块以上的光幕靶7间隔放置，靶板1设置在最后一块光幕靶7的后方，每块光幕靶7中的光电二极管接收装置74连接至脉冲盒2；脉冲盒2一路连接至示波器3，另一路连接至数字信号发生器4；数字信号发生器4连接并用于触发超高速分幅相机5以及ICCD光谱仪6。
本例中的测速系统由三块反射式光幕靶组成，当弹丸穿过光幕靶7时会形成通断电路，经脉冲盒2形成一个脉冲信号，如图6所示。当弹丸依次穿过第一光幕靶、第二光幕靶、第三光幕靶时，会分别形成三个脉冲信号，弹丸速度V＝(L1/Δt1+L2/Δt2)/2；同时，该系统还可以解决配套测量设备的同步触发问题。将第三光幕靶放置在靶板1前侧，以0.1m的距离、5km/s的发射速度为例，触发延迟为0.1m/5km/s＝20μs，由于发射速度的偏差实际触发延迟为0.1m/[5km/s(1±5％)]＝20±1μs，这个误差对于研究持续时间在5～20μs左右的碰撞闪光等电磁辐射现象来说在可以接受的范围。通断信号经脉冲盒2至数字信号发生器4触发超高速分幅相机5和ICCD光谱仪6，整个系统的响应时间小于1μs，理论上将光幕靶7置于靶板1前侧1cm处，当弹丸速度为5km/s时，实际触发延迟为2±0.1μs。
参见附图5，光幕靶7还包括：带有高度可调地脚75的底座76、立柱79、上反射镜安装板83、位移微调平台A77、角度微调平台80、下反射镜安装底座78；立柱79左右对称的安装在底座76上，上反射镜安装板83的两端分别支撑在两个立柱79上，上反射镜71固定安装于上反射镜安装板83的下表面；光电二极管接收装置74通过位移微调平台77安装于底座76上，激光发射装置73通过角度微调平台80安装于底座76上，精度为±0.1°；下反射镜安装底座78通过位移微调平台B81以及双驱动角度摆动台82安装于底座76上；下反射镜72安装在下反射镜安装底座78上表面。

Claims (3)

1.一种轻气炮毫米级弹丸测速系统，它包括：靶板(1)、脉冲盒(2)、示波器(3)、数字信号发生器(4)、超高速分幅相机(5)以及ICCD光谱仪(6)；其特征在于：它还包括：光幕靶(7)；
所述光幕靶(7)包括：上反射镜(71)、下反射镜(72)、激光发射装置(73)以及光电二极管接收装置(74)；所述上反射镜(71)与所述下反射镜(72)均为反射率98％以上的前镀膜反射镜，二者上下平行设置，水平精度误差在4″以内；所述激光发射装置(73)与所述光电二极管接收装置(74)分别安装在所述下反射镜(72)的两侧，所述激光发射装置(73)为光斑直径小于0.4mm的激光光源，呈设定角度发射光线，该光线在所述上反射镜(71)与所述下反射镜(72)之间呈折线形反射，形成最大间距为2mm的光栅，最终该光线反射至所述光电二极管接收装置(74)；
两块以上的所述光幕靶(7)间隔放置，所述靶板(1)设置在最后一块所述光幕靶(7)的后方，每块所述光幕靶(7)中的所述光电二极管接收装置(74)分别通过所述脉冲盒(2)连接至所述示波器(3)；同时与所述靶板(1)最近的光幕靶(7)的光电二极管接收装置(74)通过所述脉冲盒(2)连接至所述数字信号发生器(4)，所述数字信号发生器(4)连接并用于触发所述超高速分幅相机(5)以及所述ICCD光谱仪(6)。
2.如权利要求1所述的一种轻气炮毫米级弹丸测速系统，其特征在于，所述光幕靶(7)还包括：带有高度可调地脚(75)的底座(76)、立柱(79)、上反射镜安装板(83)、位移微调平台A(77)、角度微调平台(80)、下反射镜安装底座(78)；所述立柱(79)左右对称的安装在所述底座(76)上，所述上反射镜安装板(83)的两端分别支撑在两个立柱(79)上，所述上反射镜(71)固定安装于所述上反射镜安装板(83)的下表面；所述光电二极管接收装置(74)通过所述位移微调平台(77)安装于所述底座(76)，所述激光发射装置(73)通过所述角度微调平台(80)安装于所述底座(76)；所述下反射镜安装底座(78)通过位移微调平台B(81)以及双驱动角度摆动台(82)安装于所述底座(76)；所述下反射镜(72)安装在所述下反射镜安装底座(78)上表面。
3.如权利要求1或2所述的一种轻气炮毫米级弹丸测速系统，其特征在于，所述光幕靶(7)包括两组激光发射装置(73)以及两组光电二极管接收装置(74)。
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