在太空环境中，航天器与空间碎片发生超高速撞击的概率较高。这种高速碰撞过程中产生的闪光辐射是一个重要的物理现象，其中蕴含了关于撞击速度、撞击物密度、强度以及物质组成等丰富的信息。研究超高速碰撞产生的辐射特征及其辐射机制，是该领域的关键技术之一。这项研究不仅对天体碰撞^[1-3]、动能拦截^[4]等领域具有重要意义，而且在空间碎片撞击事件的感知^[5]研究中也显示出其应用价值。因此，研究撞击闪光特征，包括弹靶材料和初始撞击条件，对于理解超高速撞击引起的热辐射特性具有重要的理论意义。这对于远程诊断、评估流星体和空间碎片对航天器的潜在损害，以及确定天体物质组成等方面都至关重要。在过去几十年中，研究人员已经对超高速撞击诱发的闪光辐射效应进行了广泛的试验研究^[6-8]。

Sugita等^[9]首次研究了石英弹丸以不同速度（4.7～5.6 km/s）撞击白云石时产生的闪光光谱特征。研究表明，超高速碰撞产生的可见光光谱由黑体辐射、分子带谱以及原子线谱组成。在积分时间较短（即碰撞前期）时，闪光光谱主要由分子带谱和原子线谱组成。通过对光谱频域信号的分析，计算出闪光物质的平均温度为4000～6000 K，从而推断出闪光来源于射流的形成。随后，进一步开展了铜弹丸斜向撞击白云石的超高速碰撞试验，并通过光谱计算得到了射流温度以及射流中靶板与弹丸的质量比随碰撞角度的变化关系^[10]。Han等^[11]研究了连续碳纤维增强SiC基复合材料在铝合金弹丸高速撞击下的闪光热辐射演变过程，并指出材料强度对闪光辐射温度和持续时间的影响。研究表明，通过分析撞击闪光辐射特征，有助于评估高超声速飞行器的动能拦截可靠性以及热防护材料的强化设计。然而，在对比公开文献中的试验结果时，发现在相近试验条件下测得的闪光强度时间曲线结果存在显著差异。例如，Erlandson等^[12]和Zhang等^[13]的研究中，闪光辐射时间曲线仅呈现单峰特征，而Ernst等^[3]和Hew^[14]的研究中，则观察到2个或3个特征峰。Ma等^[15-16]在研究纯铝弹丸超高速撞击半无限纯铝靶时，发现闪光辐射演化曲线中会出现单峰、双峰和3峰结构。研究表明，峰值的产生与碰撞参数密切相关^[17]。此外，目前尚未对辐射特征峰的产生机制进行深入研究。

通过对现有研究成果的分析，可以明确超高速撞击引发的闪光辐射演化特征与具体的撞击工况密切相关。然而，目前针对这一现象的系统性试验研究仍显不足。因此，本研究设计并开展一系列铝弹丸超高速撞击铝靶板的试验。通过同步测量撞击产物的序列光谱和特征波段辐射演化历史数据，系统探究撞击速度、弹丸直径以及靶室真空度对撞击产物辐射特征的影响。研究结果可为基于闪光辐射特征的超视距空间目标毁伤评估技术以及远程诊断技术的建立提供参考。

1.   试验测试系统构建

试验在超高速撞击试验平台上进行。试验系统主要由弹丸驱动系统和闪光辐射测量系统组成，其结构示意图如图1所示。其中，弹丸驱动系统的核心设备为二级轻气炮，能够将直径0.8～5.5 mm范围内的弹丸加速至3～7.3 km/s的速度。靶室为一个直径1 m、长1.6 m的圆柱形筒体，两侧分别设有直径为180 mm的成像窗口，顶部设有3个直径为10 cm的窗口，窗口均采用石英光学玻璃。此外，靶室配备了一套罗茨真空泵和分子真空泵，用于实现不同压力的真空环境，靶室的极限真空度可达0.1 Pa。

图  1  超高速撞击闪光辐射测量系统示意图

Figure  1.  Schematic diagram of the hypervelocity impact flash radiometric system

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1.1   光谱测试系统

闪光辐射本质上是由一系列电磁波组成，涵盖了紫外光、可见光和红外光。其强度与撞击工况密切相关。在试验中，通过频域和时域两个方面对闪光辐射进行探测。光辐射测量系统分为两部分：一部分为序列瞬态光谱测量系统，主要用于测量不同波段范围内的辐射光谱频率特征；另一部分为多通道辐射计，主要用于测量特定波段的辐射强度随时间的变化，即闪光辐射的时域特征。光辐射测量系统的组成如图2所示。

图  2  闪光光谱测试系统

Figure  2.  Flash Spectrum Test System

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光纤探头对称布置于弹道两侧，以确保在碰撞发生时采光位置和角度的一致性。光谱探测范围覆盖靶板前方直径为200 mm的圆形区域。系统标定过程中，考虑了石英窗口玻璃、光纤和滤光片等因素对测量结果的影响。

1.1.1   瞬态光谱测量系统

瞬态光谱测量系统的核心器件为光谱仪，其能够采集碰撞过程中产生的闪光频谱信号。在采集结果中，横坐标表示波长，纵坐标表示光谱仪在采光时间内光强度的积分值。试验中所使用的光谱仪采用300线/mm的光栅，系统分辨率可达0.1 nm，测量带宽为62 nm。为了获取更丰富的光谱信息，测量波段选择为250～312 nm。通过查询NIST原子数据库可知，该波段包含8条共振谱线和1条Al⁺谱线。在试验前，使用经过计量检定的标准紫外-可见光光源对光谱测量系统的频谱响应特性进行了标定。

1.1.2   多通道辐射计测量系统

在试验中，CH1、CH2和CH3等3个通道被用于测量紫外波段的辐射数据。与瞬态光谱测量系统类似，光辐射通过紫外-近红外光纤引入辐射计的探测单元。为确保辐射计测量能量的准确性，在探测器前放置了带外深截止滤光片，以防止测量波段外的宽带辐射进入探测器并对其造成干扰。辐射计CH1通道测量波段为249.2～269.6 nm，对应中性铝原子特征波长；CH2通道测量波段为273.7～286.6 nm，对应一价铝离子特征波长；CH3通道测量波段为297.7～312.3 nm，对应中性铝原子特征波长。

1.2   闪光辐射温度计算

温度是撞击闪光的一个重要特征，因此采用双色测温法计算不同撞击工况下闪光辐射温度的时间演化规律。根据普朗克辐射定律可知，对灰体物质的辐射强度I_g是发射率ε、波长λ和温度T的函数，灰体辐射表达式如下：

式中：C₁为普朗克第一常数，C₂为普朗克第二常数。当采集到了任意两波长λ₁和λ₂的光谱辐射强度I₁和I₂时，将两个波长的辐射强度相除，即I₁/I₂，并且假定ε₁=ε₂，得到双色测温法辐射温度计算公式：

通过式（2）可以计算出2个特定中心波长光波的温度。在试验中，采集了CH1（中心波长为259.4 nm）、CH2（中心波长为280.15 nm）和CH3（中心波长为305 nm）3个通道的辐射时间数据。由于存在3种不同的组合情况，计算这3种组合的温度数据，并取其平均值，以平均温度作为闪光的整体辐射温度，从而降低试验测量误差。

1.3   试验方案与工况

基于闪光辐射特征测量系统，共开展了9次超高速撞击试验。试验中，弹丸和靶板均采用1A30纯铝材料。球形弹丸直径3～5 mm，撞击速度3.13～6.58 km/s，靶板厚度均为20 mm，靶室环境压力范围为0.58～990 Pa。详细试验参数如表1所示，表中d_p为弹丸直径，v为弹丸速度，H为靶板厚度，θ为撞击角度，p为靶室真空度。

表  1  超高速撞击闪光辐射试验工况

Table  1.  Conditions of hypervelocity impact flash radiation test

试验编号	dp/mm	v/（km·s−1）	H/mm	θ/（°）	p/Pa
18#	3	6.43	20.0	0	9.60
25#	3	4.43	20.0	0	10.00
26#	3	3.13	20.0	0	10.00
27#	3	6.54	20.0	0	99.00
28#	3	6.48	20.0	0	990.00
29#	4	6.58	20.0	0	8.90
31#	3	6.46	20.0	0	5.80
32#	5	6.25	20.0	0	2.90
34#	3	6.29	20.0	0	0.58

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2.   撞击闪光光谱特征试验结果与分析

2.1   闪光频域辐射特性

试验测量得到250～312 nm波段内的典型光谱结果如图3所示。由图可知，碰撞闪光光谱由线光谱和连续光谱组成，其中线光谱由碰撞产生的等离子体中电子能级跃迁产生，连续光谱主要由撞击产物的热辐射产生。在0.1 nm的波长分辨率下，共检测到6条特征谱线，分别是256.80、257.51、265.25、266.04、308.22和309.27 nm，通过对NIST原子光谱数据库的查询^[16]，可知上述谱线均为铝原子谱线，无铝离子或其余谱线。

图  3  光谱频域特征曲线

Figure  3.  Curves in the frequency domain of the spectral

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图4展示了不同撞击工况下，闪光光谱曲线在250～312 nm波段内的积分强度。图中显示，闪光积分强度随撞击速度、弹丸直径和环境压力的增大呈现出近似的幂函数关系。这是因为，增加撞击速度和弹丸直径能够提升撞击的初始动能，而提高环境压力则会增加弹丸与环境之间的摩擦生热，从而增强闪光的辐射强度。然而，当撞击速度超过5 km/s时，闪光总强度随撞击速度增大的趋势变得更加显著，如图4(a)所示；当弹丸直径大于4 mm时，闪光总强度的增大趋势逐渐减缓，如图4(b)所示；当环境压力高于400 Pa时，闪光强度的增大趋势逐渐趋于平缓，如图4(c)所示。

图  4  闪光积分强度变化规律

Figure  4.  Variation law of the integral intensity of the flash

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2.2   闪光时域辐射特性

使用辐射计对撞击闪光的时域信号进行测量，得到不同弹丸直径、不同撞击速度和不同靶室环境压力下的闪光辐射时域信号，分别如图5、6、7所示。从图中可以看出，撞击闪光强度的时程曲线首先在数微秒内达到强度峰值，随后进入较长时间的强度衰减期。在不同的撞击工况和试验条件下，闪光强度时间曲线出现了1～3个强度峰值，这些峰值的大小和出现时间均不相同，但均出现在撞击后的7 μs内。此外，CH3通道测量的闪光辐射强度高于CH1和CH2通道。结合对撞击闪光辐射光谱特征频域特性的分析可知，CH3通道的测量范围（297.7～312.3 nm）包含了辐射强度最强的2条线光谱（308.22、309.27 nm），而CH1和CH2通道仅包含其余4条线光谱，且这4条线光谱的辐射强度相对较弱。因此，CH3通道测得的辐射强度显著高于CH1和CH2通道。

图  5  不同撞击速度下的闪光辐射演变曲线

Figure  5.  Evolutionary curves of flash radiation at different impact velocities

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图  6  不同弹丸直径下的闪光辐射演变曲线

Figure  6.  Evolution curves of flash radiation for different projectile diameters

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图  7  不同靶室真空度下的闪光辐射演变曲线

Figure  7.  Evolution curves of flash radiation at different chamber vacuum levels

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各通道在曝光时间内的闪光积分强度如图8所示。从图8(a)可以看出，3个通道所测得的闪光积分强度均随撞击速度的增大呈指数关系增长。其中，CH1通道的闪光积分强度增加了11.2倍，CH2通道增加了10.2倍，CH3通道增加了7.2倍。从图8(b)可以看出，随着弹丸直径的增大，3个通道所测得的闪光积分强度呈现振荡变化，但整体变化幅度较小。具体而言，CH1通道的闪光积分强度变化幅度为2.6%，CH2通道为3.2%，CH3通道为2.9%。从图8(c)可以看出，随着环境压力的增大，3个通道所测得的闪光积分强度呈现振荡变化，但整体呈上升趋势。其中，CH1通道的闪光积分强度提高了49.6%，CH2通道提高了14.9%，CH3通道提高了58.2%。研究表明，撞击速度和环境压力对闪光时域辐射强度的影响较大，而弹丸直径的影响相对较小。因为等离子体浓度随着撞击速度的增大而增加，环境压力越高，碎片与气体介质摩擦发热越强。

图  8  曝光时间内闪光积分强度

Figure  8.  Flash integral intensity during exposure time

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3.   闪光辐射特征分析与讨论

3.1   闪光强度分布特性

通过对撞击产生的闪光在频域特征的分析，发现闪光频域光谱由2部分组成：高辐值光谱和低辐值光谱。其中，高幅值光谱主要由原子或离子的能级跃迁产生的线性辐射构成；而低幅值光谱主要由高温物质产生的连续热辐射组成^[18]。

图9展示了闪光累积积分强度的变化规律。在积分波段范围内，曲线出现了3次明显的跳跃上升。这些上升点对应于线性辐射的波段位置，尤其是在CH3通道，308.22、309.27 nm这2条线谱的辐射强度显著高于其他通道，导致累积积分强度的变化更为显著。对原始光谱数据进行去线性辐射处理后，得到仅包含热辐射的光谱数据，其累积积分强度如图10所示。去除线性辐射后，不同条件下的闪光累积积分强度差异不大。通过对比分析可知，撞击工况对闪光热辐射的影响较小，而主要影响光谱中的线性辐射。

图  9  闪光辐射累积积分强度

Figure  9.  Accumulated integral intensity of flash radiation

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图  10  光谱热辐射累积积分强度

Figure  10.  Accumulated integral intensity of spectral thermal radiation

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3.2   闪光辐射温度特性

图11展示了不同撞击工况下闪光辐射温度随时间的变化规律。图中显示，在撞击瞬间，撞击点的温度急剧升高，并在极短时间内达到峰值，随后进入较长时间的衰减期。在不同的撞击工况和试验条件下，温度时间曲线出现了1～3个峰值，这些峰值的大小和出现时间均不相同。值得注意的是，在所有撞击工况下，辐射温度的峰值均达到了铝合金的气化温度（2467 K），这表明在撞击过程中材料发生了气化和等离子体化，形成了等离子体。然而，不同撞击工况下的温度辐射特征仍存在一定差异性。

图  11  不同撞击工况下等效辐射温度时间曲线

Figure  11.  Equivalent radiation temperature-time curves at different impact conditions

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图11(a)展示了不同撞击速度下的温度时间变化曲线。结果显示，撞击速度越高，闪光温度也越高。当撞击速度为3.13、4.43 km/s时，温度曲线仅出现第1峰和第3峰；而当撞击速度为6.43 km/s时，温度曲线出现了3个辐射峰。这表明较高的撞击速度更有利于等离子体的产生^[19-20]。图11(b)展示了不同弹丸直径下的温度时间变化曲线。在撞击速度和环境压力相近的情况下，不同直径弹丸撞击靶板产生的温度曲线变化规律相似，且温度差异较小。这表明弹丸直径对闪光辐射温度的影响较小。图11 (c)展示了不同环境压力下的温度时间变化曲线。当环境压力较低时（例如5.8 Pa），温度曲线具有明显的第1个特征峰和第3个特征峰。随着环境压力的增大，温度曲线逐渐变得平缓，多峰特征逐渐消失。此外，随着环境压力的增大，温度在衰减期的下降速度也更快。

通过对不同撞击工况下闪光温度时间曲线的分析，可以将撞击闪光温度时间曲线划分为2个阶段。第1阶段为强闪光阶段，以弹丸撞击靶板为起始时刻，以温度开始持续下降为终止时刻。该阶段的特点是包含数个温度峰值，过程持续时间约为4～5 μs，且闪光强度较高。第2阶段为衰减阶段，以温度开始持续下降为起始时刻，以温度衰减至环境温度为终止时刻。该阶段的特点是温度持续衰减，持续时间达毫秒级别，且闪光强度逐渐减弱直至消失。因此，通过提取强闪光阶段的持续时间和拟合衰减阶段的衰减指数，可以分析撞击工况对闪光云团温度辐射特性的影响规律。图12 和图13分别展示了不同撞击工况下强闪光持续时间和闪光衰减指数的变化规律。

图  12  强闪光持续时间

Figure  12.  Duration of strong flash

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图12 为不同撞击工况下强闪光持续时间变化规律。由图12(a)可知，随着撞击速度由3.13 km/s增大6.43 km/s，强闪光时间以指数关系增加，持续时间由3.1 μs增加至5.7 μs；由图12(b)可知，当撞击速度相近时，弹丸直径由3 mm增大至5 mm，强闪光时间在5.5～6.6 μs区间震荡变化，变化幅度为1.1 μs，若考虑试验测量及数据处理带来的误差，说明弹丸直径对强闪光持续时间的影响较小；图12(c)为环境压力对强闪光时间的影响规律，由图可知，随着环境压力的增大，强闪光时间以指数关系下降，说明较大的环境压力会降低强闪光持续时间。

通过对温度衰减阶段进行指数函数拟合，得到不同撞击工况下的温度衰减指数，若指数的绝对值越大，表明闪光温度衰减越快，反之闪光温度衰减越缓慢，衰减指数变化规律如图13所示。图13(a)为闪光温度衰减指数随撞击速度的变化规律，由图可知，随着撞击速度的增大，温度衰减指数近似呈指数增大，可见，撞击速度越高，闪光温度热衰减越快；图13(b)为闪光温度衰减指数随弹丸直径的变化规律，当撞击速度相近时，弹丸直径由3 mm增大至5 mm，闪光温度衰减指数在−0.48～−0.84区间震荡变化，变化幅度为0.36，可见弹丸直径对闪光衰减的影响较小；图13(c)为环境压力对闪光温度衰减的影响规律，由图可知，随着环境压力的增大，闪光温度衰减指数近似呈指数增大，可见，环境压力越高，闪光温度热衰减越快。

图  13  闪光温度衰减指数

Figure  13.  Decay index of flash temperature

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通过对不同撞击工况下闪光温度变化规律的研究，发现撞击速度越高，撞击产生的等离子体越多，但是等离子扩张速度越快，因此，随着撞击速度的增大，闪光持续时间越长，温度衰减速度越快；在撞击速度和环境压力相近时，弹丸直径对撞击产生的等离子体特性影响较小，因此对闪光辐射特性的影响较小；环境压力越小，气体介质对闪光辐射过程中的能量耗散越小，因此其持续时间越长，闪光强度衰减越缓慢。

4.   结　论

基于二级轻气炮超高速撞击闪光辐射测试系统，研究了撞击速度、弹丸直径和靶室环境对撞击闪光辐射的频域和时域特性的影响规律，得到以下主要结论。

(1)对于铝球超高速撞击铝厚板的反溅产物进行闪光时频数据测量，分析可知闪光光谱由线光谱和连续光谱构成；对撞击闪光频域测量结果分析可知，撞击工况不影响闪光光谱中产生线谱所对应的波长位置相同，随着撞击速度、弹丸直径和靶室环境温度的增大，闪光的积分强度越大，但是撞击工况对闪光连续辐射强度的影响较小，主要影响光谱中的线性辐射强度。

(2)对撞击闪光时域测量结果分析可知，碰撞闪光强度时间曲线首先出现强度峰值，随后进入长时间的强度衰减阶段，不同中心波长对应的闪光强度和辐射规律各不相同；根据撞击工况的差异，闪光辐射时间曲线存在1～3个特征峰。

(3)通过对不同撞击工况下闪光温度变化规律的研究，发现撞击速度越高，强闪光持续时间越长，但闪光温度衰减也越快；在撞击速度和环境压力相近时，弹丸直径对闪光时间规律的影响较小；环境压力越小，强闪光持续时间越长，闪光强度衰减越缓慢。

感谢中国空气动力研究与发展中心黄洁、马兆侠两位老师对该研究提供的指导和试验上的帮助。