1.Laser-driven flyer plate impact: Computational studies guided by experiments

激光驱动飞片冲击：实验指导下的计算研究

本研究通过多材料任意拉格朗日-欧拉（ALE3D）代码模拟了激光驱动的金属飞片（速度0.5–4.5 km/s）与目标材料（Pyrex玻璃、熔融石英玻璃、Lexan和Plexiglas聚合物）的纳秒/微米级动态冲击过程，产生的目标压力范围为5–20 GPa。模拟结果与高速测速实验数据对比显示，飞片速度剖面和目标材料响应总体吻合良好，但在最高冲击速度下，实验中的冲击释放过程比模拟更慢，这可能与纳秒级卸载过程中冲击粘度的描述不足有关。研究还提出了一种简化模型，通过加热飞片下方的环氧树脂层来模拟飞片发射过程，避免了直接模拟激光与材料的复杂相互作用。该模型为理解飞片发射和目标材料在极端条件下的动态响应提供了重要工具。

图1 (a)高通量飞片发射和撞击实验示意图;具有均匀光束的脉冲激光器以超高速(0.5–4.5 km/s)从薄的Al-1100箔片发射直径为0.5mm的圆盘;飞片板在撞击透明目标之前穿过真空间隙;高速光子多普勒测速仪(PDV)可测量自由飞行和目标撞击期间飞行板前表面的速度分布;(b)用于飞片板发射和冲击的2D轴对称模拟的布局;当热量输入以蒸发薄的环氧树脂底层时,飞片启动

图2 25 μm厚的飞片以2.35 km/s的速度发射穿过375 μm真空间隙,撞击Pyrex玻璃靶,使冲击进入靶区约4 ns;在时间= 0处撞击后,数据表示目标材料在目标-飞片界面处的速度

图3 (a)发射激光束的空间剖面,一个直径为0.5mm的均匀中心区域,边缘柔软;(b)当热量输入到Al-1100箔下的薄环氧树脂层20ns时,以4.0 km/s的速度发射的 ALE3D模拟快照;加热环氧树脂产生的热流体膨胀,使飞片飞扬,在模拟中,飞片不会与基板分离

图4 通过将下面的薄环氧树脂层加热20ns,以2.35 km/s的速度发射模拟飞片;(a)转化为热膨胀流体的环氧树脂的密度在几十纳秒内下降;Al-1100的密度保持在其环境值,除了半脉冲发射在传单中产生的混响震动引起的小振荡(b)从热流体中损失的能量被有效 (∼90%) 转化为飞片动能

图5 以不同速度发射的飞片的模拟和实验速度曲线的比较;(a)每秒1.36公里;(b)每秒 2.35 公里;(c)每秒3.36公里及(d)每秒4.00公里

图6 实验和模拟飞行器速度与输入能量通量的比较;在实验中,能量密度是指发射激光束的中心区域;在仿真中,能量输入到飞片下方的环氧树脂层,计算出通量;由于实验能量通量是激光能量的总量,但模拟能量密度只考虑输入到环氧树脂的能量,因此我们使用5倍的临时校正(Sim-adj)来拟合模拟并与实验获得更好的一致性；该系数在此图中仅作为比较手段提供

图7 撞击Pyrex玻璃靶材的飞片的实验和模拟速度曲线的比较;速度分布由五个不同的区域组成:(i)自由飞行,(ii)撞击时速度突然下降,(iii)短暂的稳定冲击驱动到目标中,(iv)释放的弹性部分,以及(v)释放的粘性部分;冲击速度分别为(a)1.36公里/秒;(b)2.35公里/秒;(c)3.36 公里/秒和(d)4.00 公里/秒

图8 25 μm厚的4.00km/s Al-1100飞片撞击各种目标材料的实验和模拟速度曲线比较(a) 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),(b)耐热玻璃,(c) Lexan和(d)熔融石英玻璃

2.Dynamic fragmentation of boron carbide using laser-driven flyers

利用激光驱动飞片对碳化硼的动态碎裂研究

本研究采用激光驱动飞片装置，探索热压碳化硼（B₄C）陶瓷在高速冲击（1100–1200 m/s，约10⁷ s⁻¹应变率）下的动态碎裂行为，并与传统火药枪驱动的球形弹丸撞击实验进行了对比。通过高频帧速摄像（1,000万帧/秒）和光子多普勒测速（PDV），记录飞片形状演化和靶材背面速度，结合光学显微镜和拉曼光谱，分析材料碎片的尺寸、形貌及微观损伤机制。研究中使用两种铝飞片：一种为近似平面飞片，另一种具有一定曲率，形成不同冲击加载状态。结果发现：平面飞片冲击引发靶材整体碎裂，碎片较大，部分呈结构主导破坏；曲率飞片冲击主要破坏飞片接触中心区域，生成细小碎片，呈现微结构缺陷控制破裂特征；所有碎片均未显示明显的“非晶化”拉曼信号，表明当前冲击状态未能触发碳化硼的非晶转变；与火药枪实验相比，激光飞片产生的碎片尺寸分布在小尺寸区间表现出高度一致性，均与材料中碳质缺陷的间距相吻合。

通过归一化直方图和经验累计分布函数对比发现，小尺寸碎片由材料内在缺陷诱导，高应变率和短脉冲压应力是促发裂纹扩展的主要原因。该研究验证了激光驱动飞片系统在微观结构主导的陶瓷碎裂研究中的有效性，并提出通过调整飞片几何形状和冲击条件，可有选择性激发特定碎裂模式，为优化防护陶瓷材料的微观结构设计提供了实验依据。

图1 碳化硼的示意图,其中标记了热压方向,内部有概念性的石墨盘缺陷;Hogan 等人复制的碳化硼微观结构的光学显微镜图像,(a)沿厚度方向,沿射线观察目标,以及(b)平面内方向,横向观察热压方向;这些图像中标记的是微观结构特征(在图像(a)的左上角定义)

图2 (a)激光驱动发射和发射飞行器不断发展变形的示意图;(b) 使用岛津HPV-X2高速相机以10MHz取景速率拍摄的100ns曝光静止图像,在左栏中显示发射的传单;右列中使用 ImageJ Kappa插件进行图像分析获得的曲率半径(ROC)测量值;由于成像分辨率(实际曲率半径可能要高得多,即更平面),平面飞片的曲率半径测量被认为是非常保守的

图3 (a)左图,碳化硼靶自由表面速度历史的铁米基准电压信号的频谱图,来自扁平 Al飞片,叠加的峰值频率音程为黑色曲线;右图是处理的速度历史;(b)左图,来自弯曲 Al飞片的碳化硼靶自由表面速度历史的干涉测量电压信号的频谱图,黑色叠加了峰值频率音调历史;右图,已处理的速度历史记录

图4 (a)碎片数据散点图显示了平坦Al飞片影响的大小与纵横比;(b)显示弯曲Al飞片撞击的尺寸与纵横比的碎片数据

图5 (a)先前工作的原始数据[16]显示了从弹道实验中收集的碎片,使用光学显微镜进行表征以获得碎片大小和纵横比;(b)弹道实验中碎片尺寸的归一化经验累积分布函数与接收材料中碳质缺陷间距的经验累积分布函数的比较

图6 (a)所有三种影响情况的标准化直方图;请注意,即使是原始碎片数据中,分布形状之间的相似性也是如此;(b)带有来自弹道和平面飞片案例的片段大小数据子集的归一化直方图,用于选择结构碎裂并仅捕获微结构控制的碎裂;弹道冲击子集域是从图5中的实际间距相关性中选择的,而平坦的激光驱动冲击子集主要从试样厚度中选择;a-b之间的分布差异很小

图7代表性拉曼光谱扫描接收时的碳化硼靶材和来自平飞鼓撞击的碎片;未观察到非晶化;所示的碎片长轴为50 μm

3.Investigation of system parameters towards safer impact based shock-to-detonation transition in a novel laser driven flyer plate prototype

一种新型激光驱动飞片原型中更安全的冲击起爆转变系统参数研究

本研究设计并优化了一种新型激光驱动飞片系统，旨在实现对次级炸药（如HMX）的安全可靠起爆，避免使用高敏感的初级炸药，从而提升系统的整体安全性。该系统由激光点火装置、飞片子系统及双层能量材料构成，其中上层为锆钾过氯酸盐（ZPP）用于激光点火，下层为次级炸药HMX。通过激光激发ZPP产生高压气体推动飞片加速，实现对HMX表面的冲击，从而引发爆轰过程（SDT）。实验采用闭腔测试方法，系统性研究了约束状态、炸药密度及激光功率等参数对点火效率、燃烧速率和飞片速度的影响。结果表明：密闭结构大幅提升了点火能力和峰值压力；激光功率提升可缩短起爆延迟时间；在飞片厚度为0.4 mm条件下，可实现飞片速度达670 ± 20 m/s；HMX密度的提升虽然略延迟起爆时间，但对峰值压力影响不大。

本研究还建立了激光光束传输系统的能量损耗模型，并对结构强度和密封性进行了详细分析。未来工作将通过增加飞片厚度、改用更坚固的窗口材料（如石英玻璃）等方式进一步提升飞片速度至1 km/s，以实现对高密度、低敏感炸药（如HNS）的有效起爆。

图1 透镜系统和激光束向目标的传输示意图

图2 激光驱动飞片系统的实体模型;(a)前视图;(b)角度视图

图3 系统参数由封闭炸弹实验期间获得的压力和激光触发信号的时间变化曲线确定

图4 51.5mm焦距激光束的X轴和Y轴轮廓,即两个真正的正交横截面

图5 激光束在51.5mm焦距处的功率密度分布

图6 激光束在焦距(a)47.0 mm处的功率密度分布;(b)44.0毫米

图7 激光驱动飞片系统内部部件的射线照相尺寸(mm)分析

图8 约束对激光驱动飞片系统性能的影响

[1]Stekovic S, Springer H K, Bhowmick M, et al. Laser-driven flyer plate impact: Computational studies guided by experiments[J]. Journal of Applied Physics, 2021, 129(19).

DOI:10.1063/5.0049817

[2]Ozkasapoglu G S, Onel S. Investigation of system parameters towards safer impact based shock-to-detonation transition in a novel laser driven flyer plate prototype[J]. Defence Technology, 2024, 39: 103-113.

DOI:10.1016/j.dt.2024.04.003

[3]Mallick D D, Ramesh K T. Dynamic fragmentation of boron carbide using laser-driven flyers[J]. International Journal of Impact Engineering, 2020, 136: 103416.

DOI:10.1016/j.ijimpeng.2019.103416

翻译整理：ZYH

编辑校对：ZYH