本發(fā)明屬于超高速碰撞實驗技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種毫米級彈丸的測速系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在實驗室條件下，以輕氣炮作為加載手段進(jìn)行的超高速碰撞實驗對于反彈道導(dǎo)彈技術(shù)、隕石撞擊下宇宙飛船的防護(hù)技術(shù)、類地行星表面隕石坑研究、高速撞擊下發(fā)生熱核反應(yīng)的概念研究、以及高壓下材料響應(yīng)特性等研究領(lǐng)域具有非常重要的意義。常見二級輕氣炮的結(jié)構(gòu)如附圖1所示，由高壓氣室、一級段、高壓錐段、二級段和靶室等部分組成，可以將直徑6mm以內(nèi)的彈丸加速至3～6km/s。超高速碰撞產(chǎn)生的沖擊壓力遠(yuǎn)大于彈和靶的材料強度，此時材料性質(zhì)可用流體作近似處理。

在超高速碰撞條件下，使用常見的接觸式測速方法如網(wǎng)靶或箔靶測速，會對彈丸造成嚴(yán)重?fù)p傷。目前應(yīng)用于常規(guī)尺寸彈丸測速的光幕靶，結(jié)構(gòu)如附圖2所示，由于發(fā)射裝置和接收裝置的尺寸限制，對于捕捉毫米級的彈丸也是無能為力。若使用高速攝影裝置，理論上每秒至少需要拍攝上百萬幀才能實現(xiàn)準(zhǔn)確測速，而這樣的設(shè)備不但價格昂貴還要配套足夠亮的照明系統(tǒng)，所以使用金屬彈丸進(jìn)行超高速碰撞實驗時，一般使用磁測速裝置測量彈丸速度，但對于非金屬彈丸是無法使用磁測速方法的。

使用磁測速裝置對金屬彈丸進(jìn)行超高速碰撞的測量也會存在缺陷，如附圖1所示，磁測速裝置的孔徑一般略大于球形彈丸的直徑，所以必須安裝在發(fā)射炮管的末端；若安裝在靠近靶板的一側(cè)，彈丸很可能由于發(fā)射偏差而無法順利穿過磁測速裝置。超高速碰撞產(chǎn)生等離子體以及閃光等電磁輻射現(xiàn)象是近期研究的熱點，這一過程受靶板材料、厚度和碰撞速度等因素影響持續(xù)時間在5～20μs左右。進(jìn)行超高速碰撞實驗時，用于觀測粒子云和碰撞閃光的超高速分幅相機(jī)、光譜儀等設(shè)備需要使用磁測速裝置的信號同步觸發(fā)。由于磁測速裝置不能安裝在靠近靶板的一側(cè)，導(dǎo)致二者的距離一般會大于1m，而二級輕氣炮發(fā)射速度的偏差在±5％左右，以5km/s的發(fā)射速度為例，觸發(fā)延遲為1m/5km/s＝200μs，而由于發(fā)射速度的偏差實際觸發(fā)延遲為1m/[5km/s(1±5％)]＝200±10μs，這個誤差對于研究持續(xù)時間在5～20μs左右的碰撞閃光等電磁輻射現(xiàn)象來說是致命的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：提供一種輕氣炮毫米彈丸測速系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有測速裝置無法對小尺寸非金屬彈丸進(jìn)行測速的問題；同時該測速系統(tǒng)也適用于金屬彈丸,能夠解決磁測速裝置對金屬彈丸進(jìn)行超高速碰撞測量時存在的缺陷。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種輕氣炮毫米級彈丸測速系統(tǒng)，它包括：靶板、脈沖盒、示波器、數(shù)字信號發(fā)生器、超高速分幅相機(jī)、ICCD光譜儀以及光幕靶；

光幕靶包括：上反射鏡、下反射鏡、激光發(fā)射裝置以及光電二極管接收裝置；上反射鏡與下反射鏡均為反射率98％以上的前鍍膜反射鏡，二者上下平行設(shè)置，水平精度誤差在4″以內(nèi)；激光發(fā)射裝置與光電二極管接收裝置分別安裝在下反射鏡的兩側(cè)，激光發(fā)射裝置選用光斑直徑小于0.4mm的激光光源，按設(shè)定角度發(fā)射光線，該光線在上反射鏡與下反射鏡之間呈折線形反射，形成最大間距為2mm的光柵，最終該光線反射至光電二極管接收裝置；

兩塊以上的光幕靶間隔放置，靶板設(shè)置在最后一塊光幕靶的后方，每塊光幕靶中的光電二極管接收裝置分別通過脈沖盒連接至示波器；同時與靶板最近的光幕靶的光電二極管接收裝置通過脈沖盒連接至數(shù)字信號發(fā)生器；數(shù)字信號發(fā)生器連接并用于觸發(fā)超高速分幅相機(jī)以及ICCD光譜儀。

有益效果:(1)本發(fā)明使用多塊反射式光幕靶組成毫米級彈丸測速系統(tǒng)，解決了超高速碰撞實驗時毫米級彈丸測速問題和配套測量設(shè)備的同步觸發(fā)問題；

(2)本發(fā)明通過兩塊高度平行的前鍍膜反射鏡形成光幕格柵極大簡化了光幕靶的光路結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)，通過光電二極管作為接收裝置極大提高了測速系統(tǒng)的靈敏度和可靠性。

附圖說明

圖1是常見二級輕氣炮結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是常見光幕測速靶結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖4是本發(fā)明中光幕靶的原理圖；

圖5是實施例中光幕靶的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是實施例中脈沖信號示意圖；

圖7是實施例中光幕靶平行反射鏡水平精度要求原理圖。

具體實施方式

參見附圖2、3，一種輕氣炮毫米級彈丸測速系統(tǒng)，它包括：靶板1、脈沖盒2、示波器3、數(shù)字信號發(fā)生器4、超高速分幅相機(jī)5、ICCD光譜儀6以及光幕靶7；

光幕靶7包括：上反射鏡71、下反射鏡72、激光發(fā)射裝置73以及光電二極管接收裝置74；上反射鏡71與下反射鏡72二者上下平行設(shè)置，水平精度誤差在4″以內(nèi)；激光發(fā)射裝置73與光電二極管接收裝置74分別安裝在下反射鏡72的兩側(cè)，激光發(fā)射裝置73呈設(shè)定角度的發(fā)射光線，該光線在上反射鏡71與下反射鏡72之間呈折線形反射，形成最大間距為2mm的光柵，若同時使用兩組激光發(fā)射裝置73以及光電二極管接收裝置74，可以將光柵加密至1mm，最終該光線反射至光電二極管接收裝置74；

上反射鏡71與下反射鏡72必須選擇反射率98％以上的前鍍膜反射鏡。經(jīng)n次反射的光強I_n＝I₀εⁿ，ε為反射率。當(dāng)ε＝99％時，I₅₀＝0.605I₀；當(dāng)ε＝98％時，I₅₀＝0.360I₀；當(dāng)ε＝97％時，I₅₀＝0.218I₀?？梢姡?dāng)反射率低于98％，多次反射后光線的衰減非常嚴(yán)重。

激光發(fā)射裝置73選用光斑直徑小于0.4mm的激光光源。

形成毫米級光柵的另一難點是對兩塊反射鏡水平度的要求，如附圖7所示，黑色為理論光路圖，灰色為實際光路圖，每反射一次會形成ΔL的誤差，ΔL＝H[tan(2Δθ+θ)-tanθ]，θ為初始入射角，Δθ為水平精度誤差。為了在50次反射之后將光柵L的誤差控制在±10％以內(nèi)，因此上反射鏡71與下反射鏡72的水平精度誤差必須控制在0.02mm/m，即4″以內(nèi)。

兩塊或兩塊以上的光幕靶7間隔放置，靶板1設(shè)置在最后一塊光幕靶7的后方，每塊光幕靶7中的光電二極管接收裝置74連接至脈沖盒2；脈沖盒2一路連接至示波器3，另一路連接至數(shù)字信號發(fā)生器4；數(shù)字信號發(fā)生器4連接并用于觸發(fā)超高速分幅相機(jī)5以及ICCD光譜儀6。

本例中的測速系統(tǒng)由三塊反射式光幕靶組成，當(dāng)彈丸穿過光幕靶7時會形成通斷電路，經(jīng)脈沖盒2形成一個脈沖信號，如圖6所示。當(dāng)彈丸依次穿過第一光幕靶、第二光幕靶、第三光幕靶時，會分別形成三個脈沖信號，彈丸速度V＝(L1/Δt1+L2/Δt2)/2；同時，該系統(tǒng)還可以解決配套測量設(shè)備的同步觸發(fā)問題。將第三光幕靶放置在靶板1前側(cè)，以0.1m的距離、5km/s的發(fā)射速度為例，觸發(fā)延遲為0.1m/5km/s＝20μs，由于發(fā)射速度的偏差實際觸發(fā)延遲為0.1m/[5km/s(1±5％)]＝20±1μs，這個誤差對于研究持續(xù)時間在5～20μs左右的碰撞閃光等電磁輻射現(xiàn)象來說在可以接受的范圍。通斷信號經(jīng)脈沖盒2至數(shù)字信號發(fā)生器4觸發(fā)超高速分幅相機(jī)5和ICCD光譜儀6，整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間小于1μs，理論上將光幕靶7置于靶板1前側(cè)1cm處，當(dāng)彈丸速度為5km/s時，實際觸發(fā)延遲為2±0.1μs。

參見附圖5，光幕靶7還包括：帶有高度可調(diào)地腳75的底座76、立柱79、上反射鏡安裝板83、位移微調(diào)平臺A77、角度微調(diào)平臺80、下反射鏡安裝底座78；立柱79左右對稱的安裝在底座76上，上反射鏡安裝板83的兩端分別支撐在兩個立柱79上，上反射鏡71固定安裝于上反射鏡安裝板83的下表面；光電二極管接收裝置74通過位移微調(diào)平臺77安裝于底座76上，激光發(fā)射裝置73通過角度微調(diào)平臺80安裝于底座76上，精度為±0.1°；下反射鏡安裝底座78通過位移微調(diào)平臺B81以及雙驅(qū)動角度擺動臺82安裝于底座76上；下反射鏡72安裝在下反射鏡安裝底座78上表面。