本发明涉及爆破,具体涉及一种基于光学透镜原理的冲击波调控、验证装置及方法。
背景技术:
1、在武器物理领域中,结构和材料在爆炸、冲击等载荷作用下的损伤、破坏模式受到了重点关注。其中柱面的内爆和球面的内爆和外爆的实验技术具有加载压力高、样品体积大、贴近实际情况等特点,是一种先进的高能量密度加载实验技术,在材料高压物性、新材料高压合成、及极端条件下的凝聚态物理等多个领域都具有广阔的应用前景。柱面的内爆和球面的内爆和外爆加载作为一种典型的极端动态驱动形式已广泛用于相关研究中。
2、其中,柱面内爆加载通常使用柱面炸药实现,通过同时引爆圆筒样品外部的炸药,产生向心会聚的柱面冲击波,并压缩圆筒向内运动。起爆后,冲击波沿半径方向向心运动,在对称轴线附近可以产生极高温度和压力。在研究结构和材料在柱面内爆加载下的行为时,为了简化实验及方便诊断,通常会进行局部柱面实验。在局部实验中,仅需要部分圆筒及外部炸药,并在内部布置相应诊断设备。
3、其中,球面内爆加载通常使用炸药实现,通过同时引爆球壳样品外部的炸药,产生向心会聚的球面冲击波,并压缩球壳向内运动。起爆后,冲击波沿半径方向向心运动,在对称中心附近可以产生极高温度和压力,实现聚能目的。在研究结构和材料在球面内爆加载下的行为时,为了简化实验及方便诊断,通常会进行局部球体实验。在局部实验中,仅需要部分球壳及外部炸药,并在内部布置相应诊断设备。
4、其中,球面外爆加载一般使用炸药实现,在球壳内部安装炸药,通过引爆炸药产生向外扩散的冲击波,并驱动球壳沿径向向外运动,导致球壳发生变形和断裂,并在外部布置相应诊断设备。
5、然而,传统使用炸药作为加载方式存在如下缺陷:1.炸药需要被加工为空心球壳或中空圆柱,存在加工难度;2. 球形炸药表面需要多点同步引爆,增加了实验复杂程度;3.炸药产生的冲击波压力范围和应变率范围较窄,对材料物性测试能力有限。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是传统的柱面、球面的内爆和外爆使用炸药加载存在炸药加工难度大、实验复杂程度高、加载能力有限的问题,目的在于提供一种基于光学透镜原理的冲击波调控、验证装置及方法,解决了传统的柱面、球面的内爆和外爆使用炸药加载存在炸药加工难度大、实验复杂程度高、加载能力有限的问题。
2、本发明通过下述技术方案实现:
3、第一方面,提供一种基于光学透镜原理的冲击波调控装置,包括冲击波透镜系统,所述冲击波透镜系统包括基体和透镜;所述基体的结构包括基体前部和基体后部,所述透镜位于所述基体前部与基体后部之间;所述基体前部的前端面为平面,后端面与透镜的结构吻合;所述基体后部的前端面与透镜的结构吻合,后端面为与待生成的冲击波吻合;所述透镜包括凸透镜或凹透镜。
4、进一步的,用于制作所述透镜的材料采用低波速材料,用于制作所述基体的材料采用高波速材料。
5、进一步的,用于制作所述透镜的材料包括铝合金;用于制作所述基体的材料包括铜或锡。
6、铝合金因其波速较高作为冲击波透镜系统的基体材料,无氧铜或锡因其波速较低,用于制作透镜,以此形成冲击波传播速度不同的传播介质,使冲击波在不同的材料的界面处发生反射和透射,实现汇聚或者发散冲击波的效果。
7、进一步的,所述透镜为凸透镜,由所述凸透镜构成的冲击波调控结构应用于球面或柱面内爆加载。
8、进一步的,所述透镜为凹透镜,由所述凹透镜构成的冲击波调控结构应用于球面外爆加载。
9、该冲击波调控结构主要用于炮的球面外爆和内爆加载、炮的柱面内爆加载。
10、首先,基于炮的球面内爆加载,现有技术中是基于炸药的完全球面内爆加载技术,因使用炸药直接加载,存在加工难度大、成本高、控制难度大、加载波形单一等缺陷。本技术通过设定上述冲击波调控结构,利用冲击波与光波相似的性质,即在不同材料中传播速度不同的性质,对冲击波的时间和空间行为进行调控。其中需要说明的是,冲击波和光波在介质内传播时,传播速度不同且均会在不同材料的界面处发生反射和透射,基于此,设计了上述冲击波透镜系统,利用冲击波透镜系统(该透镜系统中的透镜为凸透镜)将平面冲击波转变为球面汇聚冲击波,最终实现对加载样品的球面内爆加载。
11、其中,冲击波透镜系统分为三个部分:基体前部、基体后部、透镜三个部分。其中无氧铜或锡加工为凸透镜形状;基体前部的前部为高平面度平面,后部为球面并与透镜贴合;基体后部的前部为球面并与透镜贴合,后部为球面与目标球面汇聚冲击波一致。三者同轴,按基体前部-透镜-基体后部的顺序粘接组成冲击波透镜系统。
12、其次,关于炮的球面外爆加载,与球面内爆加载类似,现有技术中是基于炸药的局部或完整球面外爆加载技术,因使用炸药直接加载,存在成本高、加载波形单一等缺陷。本技术通过设定上述冲击波调控结构,利用冲击波与光波相似的性质,即在不同材料中传播速度不同的性质,对冲击波的时间和空间行为进行调控,利用冲击波透镜系统(该透镜系统中的透镜为凸透镜)将平面冲击波转变为球面扩散冲击波,最终实现对加载样品的球面外爆加载。
13、其中,冲击波透镜系统分为三个部分:基体前部、基体后部、透镜三个部分。其中无氧铜或锡加工为凹透镜形状;基体前部的前部为高平面度平面,后部为球面并与透镜贴合;基体后部的前部为球面并与透镜贴合,后部为球面与目标球面扩散冲击波一致。三者同轴,按基体前部-透镜-基体后部的顺序粘接组成冲击波透镜系统。
14、最后,关于炮的柱面内爆加载,与上述两种加载情况类似,现有技术中是基于炸药的完整柱面内爆加载技术因使用炸药直接加载,存在加工难度大、成本高、控制难度大、加载波形单一等缺陷。本技术通过设定上述冲击波调控结构,利用冲击波透镜系统将平面冲击波转变为局部柱面汇聚冲击波,最终实现对加载样品的柱面内爆加载。
15、其中,冲击波透镜系统分为三个部分:基体前部、基体后部、透镜三个部分。其中无氧铜或锡加工为柱面凸透镜形状;基体前部的前部为高平面度平面,后部为柱面并与透镜贴合;基体后部的前部为柱面并与透镜贴合,后部为柱面与目标柱面汇聚冲击波一致。三者同轴,按基体前部-透镜-基体后部的顺序粘接组成冲击波透镜系统。
16、第二方面,提供一种冲击波调控装置的验证装置,包括火炮本体或气体炮本体,所述火炮本体或气体炮本体的外壳内设置有驱动飞片发射的驱动体、弹托、飞片、冲击波透镜系统和测速系统。
17、进一步的,所述火炮本体的驱动体为装入的火药燃烧产生的高压气体;所述气体炮本体的驱动体为直接充入的高压气体。
18、进一步的,所述测速系统包括探针支架、连接在所述探针支架上的光纤探针、以及与光纤探针通信连接的信号采集设备。
19、进一步的,所述飞片的材料包括无氧铜;制备所述弹托的材料包括聚碳酸酯;所述飞片粘接在所述弹托的前部。
20、其中,飞片与冲击波系统的尺寸存在匹配关系,飞片与冲击波系统整体厚度的比值较小时,可产生波剖面为三角形的汇聚或发散冲击波,比值较大时,产生的汇聚或发散冲击波的波剖面为矩形。飞片的具体厚度的设计可以通过实验的需要进行调整。
21、最后,通过测速系统测量冲击波透镜系统后自由表面的速度信号,获得经冲击波透镜系统整形后的冲击波波剖面形和波阵面形,验证冲击波透镜系统的可靠性,标定该冲击波透镜系统的加载能力。
22、第三方面,提供一种基于冲击波调控装置的使用方法,即对材料动态物性的测试技术,将样品安装在冲击波透镜系统的基体后部,然后启动驱动体,通过驱动体驱动弹托和飞片向冲击波透镜系统方向运动,飞片撞击基体前部的前表面产生平面冲击波,再由透镜将平面冲击波进行转变后传入样品中,对样品实施加载,由测速探针测量样品后表面的粒子速度,获取样品的加载响应。
23、其中,针对炮的球面外爆和内爆加载时,样品是由待加载材料和结构制成的局部空心球壳,需要与冲击波透镜系统中的基体后部球面贴合。样品尺寸需小于炮口径,以避免冲击波透镜中侧向稀疏波的干扰。
24、其中,针对炮的柱面内爆加载时,样品是由待加载材料和结构制成的空心圆壳,需要与冲击波透镜系统中的基体后部柱面贴合。样品尺寸需小于火炮口径,以避免冲击波透镜中侧向稀疏波的干扰。
25、本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:
26、(1)本发明使用火炮或气体炮驱动飞片,各部件加工简单,技术成熟,成本低;
27、(2)本发明仅需引爆炸药或用高压气体驱动飞片,相比现有球形和柱形炸药多点同时起爆模式,具有控制简单、稳定可靠、可重复性高的优势;
28、(3)本发明中球面发散和汇聚、柱面汇聚的冲击波强度和波剖面波形、波阵面波形由材料和飞片速度控制,通过合理调整材料和飞片速度可生成满足实验所需的球面发散和汇聚、柱面汇聚冲击波,适用范围很宽。