一种获得球面汇聚冲击波的方法与流程

本发明属于爆炸与冲击动力学技术领域，具体涉及一种获得球面汇聚冲击波的方法。

背景技术：

惯性约束核聚变，超新星爆炸，核工程等领域均涉及球形冲击波汇聚的相关动力学问题，其物质界面演化及相互作用机理仍有许多难题尚待研究。目前，直接产生球形汇聚冲击波的方法主要有：

1)基于球壳形炸药，在外球面同步点火方法。

2)基于球形容器内壁直接同步点燃爆炸预混物质的方法。

3)基于多路激光汇聚冲击的方法。

上述方法中，1)和2)均涉及同步球面点火等难题，很难产生较精确的球形冲击波。方法3则需要经历多路激光同步汇聚，同时需要有足够的能量和高昂的试验成本，难以作为常规试验技术使用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提出一种新的产生球面汇聚冲击波的方法，该方法通过特征型面设计，将平面冲击波转变成球面汇聚冲击波，解决了原有方法中需要高精度面同步的技术难题。同时，通过可控参数调整，可以实现Gpa量级的超高压冲击波汇聚。

本发明采用的技术方案为：

一种获得球面汇聚冲击波的方法，依靠两侧预混合可燃气体同时点燃产生的平面爆轰波，经过基于特征线设计的轴对称收敛型面转变为球面爆轰波，并在收敛型特征面的原点汇聚，最后两侧对称的球面爆轰波向样品球心透射，形成球形汇聚冲击波，并在汇聚中心产生一定的超高压极限状态，具体实现步骤如下：

步骤S1：将一定比例混合的预混合可燃混合气体1充入实验容器2中。将球形样品3放置到适当位置，设置调整好同步点火装置4和观测设备7。

步骤S2：爆轰波产生区5由同步点火装置4同时点燃两侧可燃混合气体1，气体经过燃烧转爆轰过程形成相向而行的平面爆轰波8。

步骤S3：稳定传播的平面爆轰波，进入基于特征线设计的收敛轴对称型面传播加速。根据爆轰波传播理论平面爆轰波8在爆轰波汇聚区6通过基于特征线设计的收敛轴对称型面时，管壁附近因爆轰波速度因局部压缩加快。平面爆轰波将逐渐转化为近似球形汇聚的锥球形爆轰波9，再进一步由末端特征型面二次压缩汇聚成为近似半球形爆轰波10；

步骤S4：经收敛型面汇聚产生的近似半球形爆轰波10将进一步向收敛型特征面的原点汇聚。

步骤S5：当两侧相向而行的半球形汇聚爆轰波同时作用于球形样品3表面时，发生激波的透射产生球面汇聚冲击波11。球形样品内将获得球面汇聚冲击波10向球心传播并汇聚于球心。

步骤S6：通过观测设备7观察记录装置记录实验数据。

更进一步的，通过观测的数据结合样品基本属性可得到球面激波作用条件下材料物性及球形冲击波作用下样品变化情况。

更进一步的，在所述的步骤S1中，样品提前放置或在气体充满后注入实验位置。

更进一步的，在所述的步骤S2中，采用爆轰波汇聚对后期压缩汇聚作用更明显。

更进一步的，在所述的步骤S3中，通过基于特征线设计的收敛轴对称型面可以尽可能的减少初始能量密度，以便在现有的结构材料约束条件下实现更高压强条件的汇聚。

更进一步的，在所述的步骤S3中，通过控制实验过程中的实验容器内径可以改变实验产生的压力大小，控制可燃混合气体比例和压力也可以改变产生的压力大小，通过这些参数的调整可提供Gpa量级的球形汇聚冲击波实验条件。

更进一步的，在所述的步骤S4中，两侧产生的球形爆轰波要控制在样品上汇聚就必须保证两侧同时起爆，这样汇聚产生的球面激波向样品球心汇聚产生超高压不需要很强的约束条件，方便在现有可行的结构材料约束条件下实现。

更进一步的，在所述的步骤S4中，两侧特征型面汇聚原点与球形样品球心重合才能最终产生的球面激波向球心汇聚。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)直管内产生平面爆轰波：基于直管产生平面爆轰波的技术目前相当成熟，重复性好，易同步。

(2)通过特征轴对称压缩型面，将稳定传播的平面爆轰波转变为半球面汇聚爆轰波。

(3)在汇聚点轴线两侧同步产生汇聚的球面爆轰波，汇聚于以汇聚点为球心的球形样品区域，最终在样品内部获得球形汇聚的冲击波。

(4)现有的实现球面激波的装置同步困难，需要控制使整个球面上多点火装置同部点火，且装药几何必须满足精确的球形，从而产生向球心汇聚的爆轰波。本发明给出的方法利用平直管内燃烧转爆轰产生平面爆轰波和基于特征线设计的收敛轴对称型面汇聚爆轰波解决了球面汇聚爆轰波产生的难题，实验条件较简单，易实现。提供了一种可控而不需要复杂约束条件的超高压球面汇聚冲击波实验条件，克服了高能量化学物质爆炸实验中控制难、压力随距离衰减迅速和难以观测的技术难题。

附图说明

图1为本发明中采用的产生球面汇聚冲击波的实验系统图；

图2为本发明球形实验样品附近及内部其冲击波汇聚演化放大图。

附图标记含义为：1为可燃混合气体，2为实验容器，3为球形样品，4为同步点火装置，5为爆轰波产生区，6为爆轰波汇聚区，7为观测设备，8为平面爆轰波，9为锥球形爆轰波，10为半球形爆轰波，11为球面汇聚冲击波。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施方式，以详细说明本发明的技术方案。

本发明一种获得球面汇聚冲击波的方法，本发明具体实施方式是采用图1所示的获得球面汇聚冲击波的新方法实验系统。采用的超高压平面转球面汇聚激波产生系统包括：可燃混合气体1、实验容器2、球形样品3、同步点火装置4、爆轰波产生区5、爆轰波汇聚区6、观测设备7、平面爆轰波8、锥球形爆轰波9，半球形爆轰波10和球面汇聚冲击波11。可燃混合气体1可选氢氧混合气体。实验容器2的剖面图如图1所示，由平直段和压缩段组成。容器两端平直段是空心柱体，而中间部分压缩段则是母线为压缩特征曲线的空心锥体组成，三者均由钨合金组成并通过法兰连接保持密封及光滑过渡，连接时保证三者中心轴线重合。平直段构成爆轰产生区5，用来实现平面爆轰波的产生和传播。压缩段构成爆轰波汇聚区6，用来将两侧平面爆轰波汇聚压缩为半球形爆轰波。具体步骤如下：

步骤S1：将一定比例混合的可燃混合气体1充入实验容器2中，并进行两侧密封。将球形样品3放置到适当位置，设置调整好同步点火装置4和观测设备7。实验容器2为截面为圆形剖面图如图1中实验容器2所示，容器在激波产生区半径与样品处半径比越大，获得球面汇聚冲击波压力越大。

步骤S2：爆轰波产生区5由同步点火装置4同时点燃两侧可燃混合气体1，气体逐渐燃烧转爆轰形成平面爆轰波8。

步骤S3：稳定传播的平面爆轰波8，进入基于特征线设计的收敛轴对称型面传播加速。根据爆轰波传播理论平面爆轰波在爆轰波汇聚区6通过基于特征线设计的收敛轴对称型面时，管壁附近因爆轰波速度因局部压缩加快。平面爆轰波将逐渐转化为近似球形汇聚的锥球形爆轰波9，再由末端特征型面二次汇聚成为近似半球形爆轰波10，如图2所示。

步骤S4：经收敛型面汇聚产生的近似半球形爆轰波将进一步向收敛型特征面的原点汇聚。

步骤S5：当两侧相向而行的半球形爆轰波10同时作用于球形样品3表面时，发生激波的透射。球形样品内将获得球面汇聚冲击波11向球心汇聚。

步骤S6：通过观测设备7观察记录装置记录实验数据，实验观测器材可以是X射线、高速摄像机及其他传感器等，其随观测样品不同而改变。

在上述的步骤S1中，实验容器中可燃混合气体燃烧传播的长度应大于混合气体燃烧转爆轰的传播长度，从而保证能够形成稳定爆轰波。

在上述的步骤S3中，压缩平面爆轰波的基于特征线设计的收敛轴对称型面应针对不同的爆轰波波速、当地音速等参数设计以减小能量损失。

在所述的步骤S3中，要最终形成球形汇聚爆轰波就要求两侧产生近似半球形汇聚爆轰波，收敛型特征型面通过开始将平面爆轰波压缩汇聚为球形爆轰波，再通过末端型面二次汇聚压缩爆轰波产生近似半球形汇聚爆轰波10。

在所述的步骤S4中，两侧产生的球形爆轰波要控制在样品上汇聚就必须保证两侧同时起爆，这样汇聚产生的球面爆轰波11向样品球心汇聚产生超高压不需要很强的约束条件。

上述实验过程中实验外壳应能够抵抗足够大的瞬时压力，还要保证实验腔厚度在X射线能透射范围内，从而实现实验数据的检测。通过上述步骤S1至S6实现了平面转球面汇聚激波的生成。

以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。