Page 28 - 《爆炸与冲击》2025年第12期

第 45 卷 张鸿宇，等： 颗粒靶体撞击溅射行为研究进展 第 12 期

综上所述，现有研究不仅从宏观孔隙率角度展开，还从细观层面探讨了颗粒尺寸对撞击成坑和溅射
过程的影响规律及其背后的机理。需要注意的是，由于在实验室中模拟低重力或微重力环境存在一定
困难，现有研究主要在地球重力条件下进行。然而，作为未来深空探测的重要目标，小行星表面具有微
重力环境，其颗粒状风化层的堆积形式与地面实验存在显著差异。部分落塔实验结果表明，低重力环境
下，颗粒靶体的黏附力减弱，冲击作用下更趋向“流体化”，更易形成溅射现象 [113] 。此外，如 1.1 节所
述，虽然撞击成坑和溅射相似律在低重力或微重力环境下依旧适用，但是成坑和溅射过程的主导因素可
能由重力主导转变为由颗粒靶体强度主导，从而直接影响模拟实验结果的外推。因此，低重力或微重力
环境下，颗粒靶体的撞击成坑和溅射行为是未来研究的重要方向之一。

4 撞击参数对溅射行为的影响

4.1 撞击速度
撞击速度在撞击成坑和溅射的相似律中均已考虑，因此，本节重点讨论撞击速度对溅射角的影响。
在溅射幕的形成和扩展过程中，溅射角并非恒定。在接触压缩阶段，撞击中心区域的靶体响应较复杂，
不仅涉及撞击体对靶体的持续压缩变形，还涉及靶体内部应力波的传播，在此过程中溅射角迅速增大。
而在开坑阶段，溅射幕扩展至中心压缩区之外，靶体的溅射主要由内部压缩波及其在表面反射的稀疏波
共同作用形成 [68, 114-116] ，溅射角维持在稳定范围。当撞击速度增大时，传递至靶体的动量和能量增大，导
致在撞击区域深层与表层间形成更大的压力梯度，对于孔隙率较低甚至是无孔隙靶体，溅射速度中铅垂
分量所占比重逐渐增大 [90] ，并导致溅射角度增大。而对于干砂、玻璃珠等具有较高孔隙率的靶体，撞击
速度增大带来的影响并不明显。以球形撞击体为例，已开展的实验撞击速度覆盖 0.8～7.0 km/s 范围，而
溅射角度则在 45°～60°范围，表现出较好的一致性 [61, 104, 117-118] 。
上述特性产生的机理可能与撞击速度与靶体介质声速的相对大小有关。低孔隙率或无孔隙靶体介
质声速较高，已开展的模拟撞击实验速度覆盖了低于介质声速至超介质声速的范围，而 2 种状态（低于
或超过）的撞击可影响撞击体前方等压区域的大小和形状，进而导致溅射物水平和竖直方向的加速度发
生变化，并最终改变溅射角度 [90] 。而干砂、玻璃珠等颗粒靶体受孔隙率大小的影响，其介质声速范围为
70～170 m/s [114, 119] ，相较于实验常用的数百米每秒甚至千米每秒的撞击速度，均属于临界或超介质声速
撞击，因此，在溅射角度稳定的区域，靶体的响应可能是相似的，从而形成溅射角度相近的溅射幕。
4.2 撞击角度

目 前 观 测 到 的 撞 击 坑 均 呈 近 似 对 称 的 圆
形，大约有 5% 的撞击坑呈椭圆形，其成因一般 Uprange crater
认为由斜撞击引起 [120] 。根据 Pierazzo 等 [121] 对天 Downrange crater
体撞击所作的分析，撞击体以 30°～60°撞击的概 Azimuth Impact site
率约为 50%，以 20°～70°撞击的概率约为 76.6%， 90°
以小于 15°撞击的概率约为 6.7%，以小于 5°撞击
的概率约为 0.75%，垂直或近水平极低角度的撞 ϕ γ 0°
击概率可忽略。因此，研究撞击角度对撞击溅射 Impact angle
行为的影响具有重要意义。 z
180°
学者们通常将斜撞击形成的撞击坑划分为 O
270° x
上 撞 击 坑 和 下 撞 击 坑 。 如 图 12 所 示 ， 方 位 角 y
Impact point
0°～90°和 270°～360°范围为上撞击坑，90～180°
和 180°～270°范围为下撞击坑。斜撞击的溅射 图 12 斜撞击中参数的定义
幕形貌更复杂，如图 13 [122] 所示，根据撞击坑附 Fig. 12 Variable definitions for oblique impact

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