武強(qiáng)， 張慶明， 龍仁榮， 龔自正

(1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所， 北京 100094； 2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

含能材料防護(hù)屏在球形彈丸超高速撞擊下的穿孔特性研究

武強(qiáng)1， 張慶明2， 龍仁榮2， 龔自正1

(1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所， 北京 100094； 2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

以空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)為工程應(yīng)用背景，將亞穩(wěn)態(tài)含能材料應(yīng)用于空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)。利用二級輕氣炮對聚四氟乙烯/鋁(PTFE/Al)含能材料防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同面密度、不同彈丸直徑、不同速度的超高速撞擊實(shí)驗(yàn),獲得了撞擊過程中的高速攝像圖片及光學(xué)高溫計(jì)信號。分析結(jié)果表明，含能材料防護(hù)屏超高速撞擊瞬間發(fā)生了可靠的沖擊起爆反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)度的不同可分為沖擊爆轟區(qū)、破碎爆燃區(qū)、零反應(yīng)破碎區(qū)3個(gè)區(qū)域?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了鋁合金彈丸超高速撞擊PTFE/Al含能材料防護(hù)屏穿孔直徑的無量綱經(jīng)驗(yàn)公式。利用實(shí)驗(yàn)與分析結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性，獲得了環(huán)境溫度對PTFE/Al含能材料防護(hù)屏超高速撞擊穿孔特性的影響規(guī)律。

爆炸力學(xué)； 聚四氟乙烯/鋁含能材料； 超高速撞擊； 穿孔過程； 穿孔直徑

0 引言

自從1957年第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射以來，為了滿足各種航天器的防護(hù)需求，美國航空航天局、俄羅斯聯(lián)邦航天局和歐洲太空局基于Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計(jì)了多種增強(qiáng)型防護(hù)結(jié)構(gòu)，包括多層沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)[1-2]、波紋防護(hù)屏防護(hù)結(jié)構(gòu)[3]、網(wǎng)狀防護(hù)結(jié)構(gòu)[4]、加強(qiáng)肋防護(hù)結(jié)構(gòu)[5]、填充式Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)[6]、柔性可展開防護(hù)結(jié)構(gòu)[7]等，應(yīng)用的防護(hù)材料主要有鋁合金、蜂窩板、泡沫鋁、Kevlar纖維布、Nextel纖維布、玄武巖纖維布[8]、密度梯度材料[9]等。但所有防護(hù)結(jié)構(gòu)材料的選擇均為惰性材料，由于防護(hù)機(jī)理單一，且防護(hù)裝置尺寸具有嚴(yán)格的要求，很大程度上制約了防護(hù)結(jié)構(gòu)對大尺寸碎片的防護(hù)效果，目前常用的防護(hù)結(jié)構(gòu)基本只能夠承受住小于1 cm的空間碎片撞擊。近年來，隨著厘米級空間碎片的持續(xù)增多，航天器撞擊失效概率大幅提高，這對航天器空間碎片防護(hù)能力提出新的挑戰(zhàn)，進(jìn)行能夠抵御厘米級空間碎片的新型防護(hù)結(jié)構(gòu)的探索、設(shè)計(jì)成為當(dāng)前迫切的需求。

聚四氟乙烯/鋁(PTFE/Al)是一種沖擊引發(fā)的含能材料，與常規(guī)惰性構(gòu)件的本質(zhì)區(qū)別在于含能反應(yīng)材料具有化學(xué)潛能，且可在沖擊加載下被引發(fā)反應(yīng)并釋放其化學(xué)潛能，并對目標(biāo)造成穿甲、燃燒、內(nèi)爆等多種形式的綜合毀傷效應(yīng)，國內(nèi)外研究主要是利用含能材料的沖擊起爆特性來增強(qiáng)戰(zhàn)斗部的毀傷效果。文獻(xiàn)[10]首次將PTFE/Al含能材料應(yīng)用于空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)屏，通過開展超高速撞擊對比實(shí)驗(yàn)，證明了含能材料防護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性。分析含能材料防護(hù)屏的超高速撞擊穿孔特性不僅是空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，對于研究彈丸在新型防護(hù)機(jī)理下的破碎過程也具有重要意義。

本文以二級輕氣炮作為加載手段，針對PTFE/Al含能材料防護(hù)屏，進(jìn)行不同面密度、不同彈丸直徑、不同碰撞速度的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，研究了含能材料防護(hù)屏超高速撞擊條件下的穿孔特性。利用PTFE/Al含能材料的沖擊起爆特性，結(jié)合高速攝像、高溫計(jì)信號分析了穿孔形成機(jī)理；分析PTFE/Al含能材料防護(hù)屏穿孔孔徑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出鋁合金彈丸超高速撞擊PTFE/Al含能材料防護(hù)屏穿孔直徑經(jīng)驗(yàn)公式。

1 實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方案

采用北京理工大學(xué)沖擊動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室二級輕氣炮進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該輕氣炮系統(tǒng)主要包括發(fā)射系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、磁測速系統(tǒng)、靶室及真空系統(tǒng)。該輕氣炮系統(tǒng)一級泵管口徑為57 mm，二級發(fā)射管口徑為14.5 mm，最高發(fā)射速度可達(dá)7.1 km/s，發(fā)射系統(tǒng)一級驅(qū)動(dòng)氣體為氮?dú)?，二級?qū)動(dòng)氣體為氫氣。

超高速撞擊實(shí)驗(yàn)靶板結(jié)構(gòu)選用經(jīng)典的Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)(見圖1)，防護(hù)屏面密度分別為1.11 g/cm2、0.84 g/cm2，防護(hù)間距為10 cm，撞擊角度為0°，使用的彈丸材料為LY-12鋁合金，直徑分別為5.0 mm、6.0 mm、6.4 mm，彈丸撞擊速度范圍為2.3～6.1 km/s. 靶室中布置了光學(xué)高溫計(jì)，通過記錄撞擊瞬間碎片云的溫度變化，診斷PTFE/Al含能材料薄板超高速撞擊下的沖擊起爆特性，并采用高速攝像機(jī)記錄彈丸的超高速撞擊過程。

圖1 含能材料防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Whipple shield configuration

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中超高速撞擊瞬間圖像如圖2所示，因?yàn)楸ǚ磻?yīng)本身伴有劇烈的發(fā)光過程，所以實(shí)驗(yàn)中未設(shè)置光源，含能防護(hù)屏撞擊瞬間發(fā)生了可靠的沖擊起爆。但PTFE/Al含能材料不同于普通炸藥，不具有自持反應(yīng)特性，只有在動(dòng)能足夠大時(shí)才能維持自身爆炸反應(yīng)，所以在側(cè)向稀疏波作用下，沿徑向的爆炸當(dāng)?shù)竭_(dá)一定距離時(shí)反應(yīng)會自動(dòng)停止，不用擔(dān)心沖擊起爆后像普通炸藥那樣全部殉爆。如圖3所示，這種特性也有利于該種材料的防護(hù)應(yīng)用。

表1給出了不同實(shí)驗(yàn)條件下含能材料防護(hù)屏穿孔直徑實(shí)驗(yàn)結(jié)果，dp、Db分別為彈丸直徑和穿孔平均直徑。

圖2 超高速撞擊瞬間反應(yīng)圖像Fig.2 Explosive reaction under hypervelocity impact

圖3 防護(hù)屏典型穿孔特征Fig.3 Typical perforation characteristics of Al/PTFE bumper

2 含能材料防護(hù)屏穿孔形成過程

表1 防護(hù)屏穿孔直徑統(tǒng)計(jì)

不同于惰性材料穿孔形成過程，PTFE/Al含能材料在彈丸撞擊的瞬間會發(fā)生沖擊起爆反應(yīng)，擴(kuò)孔機(jī)理發(fā)生變化，不只與彈丸撞擊的動(dòng)能有關(guān)，還與材料的沖擊起爆特性有關(guān)。由回收的含能防護(hù)屏可以看到，孔徑達(dá)到3倍左右彈丸直徑后擴(kuò)展過程停止。因PTFE/Al含能材料不具有自持反應(yīng)特性，可以推斷超高速條件下其穿孔過程大致可以分為3個(gè)階段，分別為沖擊爆轟階段、破碎爆燃階段、零反應(yīng)破碎階段：

1)沖擊爆轟階段：彈丸與薄板撞擊瞬間在碰撞點(diǎn)形成瞬態(tài)高壓，將彈丸的部分動(dòng)能傳遞給含能材料薄板，在超高壓作用下含能材料內(nèi)能迅速增加，達(dá)到反應(yīng)閾值后，材料內(nèi)部的化學(xué)能瞬間釋放，具有類爆轟的特性。此時(shí)對應(yīng)的穿孔區(qū)域?yàn)闆_擊爆轟區(qū)，如圖4所示。文獻(xiàn)[11]通過平面沖擊實(shí)驗(yàn)證明PTFE/Al在超過15 GPa壓力下可以瞬間發(fā)生類爆轟反應(yīng)，反應(yīng)度為1.

2)破碎爆燃階段：薄板內(nèi)沖擊波接近于球面波，沿徑向傳播過程中，來自薄板兩個(gè)自由表面的稀疏波使沖擊波逐漸衰弱，此時(shí)含能材料不足以迅速發(fā)生起爆反應(yīng)，而是首先發(fā)生破碎，與彈丸顆粒一起以碎片云的形式向前拋出。當(dāng)達(dá)到材料反應(yīng)成長所需的時(shí)間后，能量以爆燃的形式釋放，對應(yīng)的穿孔區(qū)域?yàn)槠扑楸紖^(qū)，如圖4所示，此時(shí)材料的能量釋放率明顯降低，反應(yīng)度小于1.

3)零反應(yīng)破碎階段：隨著徑向傳播距離的增大，沖擊波強(qiáng)度進(jìn)一步減小，雖然含能材料依然能夠發(fā)生破碎，但此時(shí)材料內(nèi)部沉積的內(nèi)能不足使其發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，所以此部分含能材料破碎后會以碎片的形式存在。同時(shí)，在薄板兩側(cè)稀疏波的卸載作用下，沖擊波逐漸衰弱，最終導(dǎo)致破碎區(qū)域停止擴(kuò)展，如圖4所示。

圖4 PTFE/Al含能材料防護(hù)屏穿孔區(qū)域示意圖Fig.4 Schematic diagram of PTFE/Al perforation

實(shí)驗(yàn)中高溫計(jì)測量信號及高速攝像結(jié)果證明了上述分析的正確性。

超高速撞擊實(shí)驗(yàn)過程中，六通道瞬態(tài)光學(xué)高溫計(jì)光學(xué)探頭置于PTFE/Al含能材料防護(hù)屏與后板之間，通過記錄含能材料沖擊反應(yīng)后的輻射特性，準(zhǔn)確測量其反應(yīng)溫度，典型高溫計(jì)測量結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看到，彈丸與含能薄板碰撞之后的溫度變化為雙峰結(jié)構(gòu)。第1個(gè)峰的最高溫度為3 825 K，第2個(gè)峰的最高溫度只有2 870 K，明顯低于第1個(gè)峰。彈丸接觸區(qū)域的瞬間爆轟反應(yīng)，對應(yīng)第1個(gè)峰值，隨著孔徑的增大，爆轟轉(zhuǎn)爆燃，溫度逐漸減小；孔徑繼續(xù)擴(kuò)大到破碎零反應(yīng)區(qū)域，此區(qū)域材料在破碎瞬間并沒有發(fā)生沖擊起爆反應(yīng)，而是在飛行一段時(shí)間后因與后板發(fā)生2次撞擊而反應(yīng)，此時(shí)溫度對應(yīng)第2個(gè)峰值，說明材料的能量釋放率降低。

圖5 典型高溫計(jì)信號Fig.5 Typical measured result of pyrometer

同樣的，由高速攝像圖片(見圖6)發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)后期，圖像視野中漂浮有非常多的微小片狀碎片，而此時(shí)距彈丸撞擊已有足夠長的時(shí)間，所以可以排除彈丸破碎產(chǎn)生碎片的可能，應(yīng)為未反應(yīng)的含能材料防護(hù)屏碎片，這些碎片的對應(yīng)區(qū)域應(yīng)該是零反應(yīng)破碎區(qū)。

圖6 典型高速攝像圖片F(xiàn)ig.6 Typical high speed photographs

3 含能材料防護(hù)屏穿孔規(guī)律

防護(hù)屏的超高速撞擊穿孔特性是空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)惰性材料防護(hù)屏的損傷形式多以穿孔為主，彈丸撞擊防護(hù)屏形成碎片云的同時(shí)，防護(hù)屏孔壁不斷地沿徑向向外擴(kuò)展，但擴(kuò)展速率隨時(shí)間迅速減小，在孔徑大約達(dá)到3倍彈丸直徑時(shí)，孔壁擴(kuò)展過程停止，目前已經(jīng)有大量描述彈丸超高速撞擊金屬薄板等惰性材料穿孔直徑的經(jīng)驗(yàn)公式[12-15]，但是無法對PTFE/Al含能材料的穿孔特性進(jìn)行很好的描述。

決定PTFE/Al含能材料防護(hù)屏穿孔直徑Db的參數(shù)包括兩類：

1)彈丸參數(shù)：直徑dp，撞擊速度vp，密度ρp，聲速cp.

2)PTFE/Al含能材料防護(hù)屏參數(shù)：厚度tb，密度ρb，強(qiáng)度σb，聲速cb，爆速D.

穿孔直徑Db與上述諸量存在確定的函數(shù)關(guān)系，即

Db=F(dp,vp,ρp,cP,tb,ρb,σb,cb,D).

(1)

根據(jù)量綱理論的π定理，可得如下無量綱函數(shù)關(guān)系：

(2)

穿孔直徑Db與彈丸直徑dp之比稱為含能材料防護(hù)屏的無量綱穿孔直徑。PTFE/Al為彈塑性材料，可將分析中代表強(qiáng)度效應(yīng)的應(yīng)力參數(shù)取為屈服強(qiáng)度。前文超高速撞擊實(shí)驗(yàn)中，主要的變化參數(shù)為彈丸直徑、撞擊速度以及PTFE/Al含能材料防護(hù)屏厚度、彈靶材料密度沒有變化，且超高速撞擊條件下，PTFE/Al的爆速可視為定值，所以無量綱比ρp/ρb與D/cb為常數(shù)，不計(jì)材料可壓縮性的影響，(2)式簡化為

(3)

參照國內(nèi)外穿孔直徑經(jīng)驗(yàn)公式[13,16]，將(3)式整理成為冪次關(guān)系，即

(4)

式中:ω、α、β均為待定常數(shù)。對兩邊進(jìn)行對數(shù)運(yùn)算，可得

(5)

利用表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(4)式進(jìn)行多元線性回歸分析，可得到鋁合金彈丸超高速撞擊PTFE/Al含能材料防護(hù)屏穿孔直徑經(jīng)驗(yàn)公式為

(6)

(6)式適用的速度范圍為2.31～6.08 km/s. 根據(jù)(6)式得到的無量綱穿孔直徑隨撞擊速度vp變化的關(guān)系曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比如圖7所示。由圖7中可以看出，回歸值與實(shí)驗(yàn)值的誤差正負(fù)比均衡，回歸方程曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好。

由圖7可知，對于面密度為0.84 g/cm2的PTFE/Al含能材料薄板，無量綱穿孔直徑隨撞擊速度的增大而非線性增大。實(shí)驗(yàn)1面密度為1.11 g/cm2，此時(shí)對應(yīng)的無量綱穿孔直徑為3.96，明顯大于相同速度條件下實(shí)驗(yàn)2對應(yīng)的無量綱穿孔直徑，說明無量綱穿孔直徑隨PTFE/Al含能材料薄板面密度的增大而增大。

圖7 無量綱穿孔直徑多元線性回歸曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.7 Comparison of perforation diameter curves with experimental results

4 穿孔特性的數(shù)值模擬

4.1 計(jì)算模型

超高速撞擊數(shù)值模擬的有效性很大程度上取決于材料模型的選取及參數(shù)的準(zhǔn)確性，建模時(shí)彈丸及含能薄板均采用SPH算法。對于LY-12鋁合金彈丸，考慮到超高速撞擊下的相變問題，采用Tillotson狀態(tài)方程，參數(shù)如表2所示[17]，其中A、a、b為擬合常數(shù)，B、e0、e1、e2為調(diào)節(jié)參數(shù)，α、β為材料常數(shù)。對于PTFE/Al含能材料薄板，考慮到超高速撞擊條件下的沖擊起爆特性，材料狀態(tài)方程采用改進(jìn)的Lee-Tarver點(diǎn)火增長模型，對應(yīng)的爆熱為14.9 kJ/g，參數(shù)如表3所示[17]，其中ρ為材料密度，I、x、γ、G、y、Z是與含能材料相關(guān)的6個(gè)常數(shù)。彈丸與含能薄板兩種材料的本構(gòu)模型均采用Johnson-Cook本構(gòu)模型，參數(shù)如表4所示[17]，其中ρ為材料密度，Y0為材料在準(zhǔn)靜態(tài)條件下的屈服強(qiáng)度，B和n分別為應(yīng)變硬化常數(shù)和指數(shù)，C為應(yīng)變率硬化常數(shù)，m為溫度軟化指數(shù)，Tm為材料熔化溫度。

表2 LY-12鋁合金Tillotson狀態(tài)方程參數(shù)

表3 PTFE/Al 含能材料Lee-Tarver方程參數(shù)

表4 材料的Johnson-Cook模型參數(shù)

4.2 有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證SPH算法、材料參數(shù)的可靠性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況，對防護(hù)屏的穿孔特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。圖8為PTFE/Al含能材料穿孔形成過程的反應(yīng)度云圖，從中可以看到靶板材料形成的碎片云由內(nèi)到外分為3個(gè)區(qū)域，分別為完全反應(yīng)區(qū)、不完全反應(yīng)區(qū)和未反應(yīng)區(qū)，剛好對應(yīng)含能材料防護(hù)屏穿孔的沖擊爆轟區(qū)、破碎爆燃區(qū)及零反應(yīng)破碎區(qū)。

圖8 PTFE/Al防護(hù)屏穿孔形成過程的反應(yīng)度云圖Fig.8 Reaction ratio of PTFE/Al during perforation

防護(hù)屏穿孔直徑的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如圖9所示。從圖 9可以看出，兩種結(jié)果基本一致，最大誤差控制在8%以內(nèi)。總體來看，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得比較好，說明采用的數(shù)值模擬方法及材料參數(shù)能夠正確地反映PTFE/Al含能材料防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊下的損傷特性。

圖9 無量綱穿孔直徑實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.9 Comparison of experimental and simulated dimensionless perforation diameters

4.3 溫度對穿孔特性的影響

航天器在太空中飛行時(shí)，空間環(huán)境溫度變化劇烈，受陽光直接照射的一面，可產(chǎn)生高達(dá)200 ℃以上的高溫；而背陰的一面，溫度則可低至-100～-200 ℃. 航天器最外層防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能必將受到劇烈影響，所以研究溫度對含能材料防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊特性的影響對于評估防護(hù)結(jié)構(gòu)性能具有重要參考價(jià)值。受當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件的限制，本研究采用數(shù)值模擬的方法分析溫度對PTFE/Al含能材料穿孔特性的影響。

研究表明[16]，溫度由-100～200 ℃變化時(shí)并沒有明顯影響PTFE/Al含能材料的沖擊反應(yīng)特性，但導(dǎo)致PTFE/Al含能材料力學(xué)性能劇烈變化，具有明顯的溫度軟化效應(yīng)。本文在分析溫度對防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊特性的影響時(shí)，主要考慮溫度對含能材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，通過將-100 ℃、25 ℃、200 ℃對應(yīng)的屈服應(yīng)力輸入計(jì)算模型，研究高低溫環(huán)境對穿孔特性的影響。圖10給出了不同環(huán)境溫度、不同撞擊速度下穿孔直徑與板厚之間的變化關(guān)系。

由圖10可以看出，相同撞擊速度下，不同環(huán)境溫度下的穿孔直徑均與防護(hù)屏厚度之間近似為線性關(guān)系，且隨厚度的增大而增加。溫度對含能材料防護(hù)屏穿孔具有一定的影響，相同撞擊速度條件下，隨著溫度的升高，防護(hù)屏穿孔直徑逐漸增大；溫度由-100 ℃變化為常溫25 ℃時(shí)穿孔直徑增大的幅值明顯高于溫度由25 ℃變化為200 ℃時(shí)，這是因?yàn)闇囟扔?100 ℃變化為常溫25 ℃材料的屈服強(qiáng)度急劇減小，材料的熱軟化現(xiàn)象顯著，而溫度由25 ℃增大到200 ℃時(shí)，材料的熱軟化現(xiàn)象明顯減弱。

圖10 不同環(huán)境溫度下穿孔直徑與板厚之間的變化關(guān)系Fig.10 Relationship between perforation diameter and plate thickness at different ambient temperatures

5 結(jié)論

本文以二級輕氣炮作為加載手段，對PTFE/Al含能材料薄板進(jìn)行超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)合高速攝像、光學(xué)高溫計(jì)測試設(shè)備，研究了含能材料防護(hù)屏超高速撞擊條件下的穿孔特性，結(jié)論如下：

1)高速攝像與高溫計(jì)測量結(jié)果表明，PTFE/Al含能材料薄板超高速撞擊瞬間發(fā)生了可靠的沖擊起爆反應(yīng)，且沖擊起爆后不會像普通炸藥那樣全部殉爆，這種特性有利于該種材料的防護(hù)應(yīng)用。

2)根據(jù)PTFE/Al含能材料沖擊起爆特性，分析得到了其超高速撞擊條件下擴(kuò)孔的3個(gè)階段：沖擊爆轟階段、破碎爆燃階段、零反應(yīng)破碎階段，并結(jié)合高速攝像、高溫計(jì)信號證明了本文分析的正確性，為后續(xù)PTFE/Al含能材料防護(hù)機(jī)理的分析奠定了基礎(chǔ)。

3)分析了PTFE/Al含能材料防護(hù)屏穿孔孔徑的變化規(guī)律，根據(jù)量綱理論，利用多元線性回歸分析方法，建立了鋁合金彈丸超高速撞擊PTFE/Al含能材料防護(hù)屏穿孔直徑的無量綱經(jīng)驗(yàn)公式。

4)利用數(shù)值模擬，研究了環(huán)境溫度對PTFE/Al含能材料防護(hù)屏超高速撞擊穿孔特性的影響。結(jié)果表明，在-100～200 ℃范圍內(nèi)，不同環(huán)境溫度下的穿孔直徑均與防護(hù)屏厚度近似為線性關(guān)系，相同撞擊速度條件下，隨著溫度的升高，防護(hù)屏穿孔直徑逐漸增大。

References)

[1] Cour-Palais B G, Crews J L. A multi-shock concept for spacecraft shielding[J]. International Journal of Impact Engineering, 1990, 10(1):135-146.

[2] Christiansen E L. Design and performance equations for advanced meteoroid and debris shields[J]. International Journal of Impact Engineering, 1993, 14(1):145-156.

[3] Schonberg W P, Tullos R J. Spacecraft wall design for increased protection against penetration by orbital debris impacts[J]. AIAA Journal, 2015, 29(12):2207-2214.

[4] Christiansen E L, Kerr J H. Mesh double-bumper shield: a low-weight alternative for spacecraft meteoroid and orbital debris protection[J]. International Journal of Impact Engineering, 1993, 14(1):169-180.

[5] Maclay T D, Culp R D, Bareiss L, et al. Topographically modified bumper concepts for spacecraft shielding[J]. International Journal of Impact Engineering, 1993, 14(1/2/3/4):479-489.

[6] Christiansen E L, Crews J L, Williamsen J E, et al. Enhanced meteoroid and orbital debris shielding[J]. International Journal of Impact Engineering, 1995, 17(1):217-228.

[7] Christiansen E L, Kerr J H, Fuente H M D L, et al. Flexible and deployable meteoroid/debris shielding for spacecraft[J]. International Journal of Impact Engineering, 1999, 23(1):125-136.

[8] 哈躍. 玄武巖纖維材料及其填充防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊特性研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009.

HA Yue. Research on hypervelocity impact properties of woven of Basalt fibric and its stuffed shielding structure[D]. Harbin :Harbin Institute of Technology, 2009.(in Chinese)

[9] 侯明強(qiáng), 龔自正, 徐坤博,等. 密度梯度薄板超高速撞擊特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 物理學(xué)報(bào), 2014, 63(2):206-215.

HOU Ming-qiang, GONG Zi-zheng, XU Kun-bo,et al. Experimental study on hypervelocity impact characteristics of density-grade thin-plate[J]. Acta Physica Sinica, 2014,63(2):206-215.(in Chinese)

[10] Wu Q, Zhang Q M, Long R R, et al. Potential space debris shield structure using impact-initiated energetic materials composed of polytetrafluoroethylene and aluminum[J]. Applied Physics Letters, 2016, 108(10):135-183.

[11] Guo J, Zhang Q M, Zhang L S, et al. Reaction behavior of polytetrafluoroethylene/Al granular composites subjected to planar shock wave[J]. Propellants Explosives Pyrotechnics, 2016, 42(3):230-236.

[12] Maiden C J, Mcmillan A R. An investigation of the protection afforded a spacecraft by a thin shield[J]. AIAA Journal, 1964,2(11):1992-1998.

[13] Nysmith C R, Denardo B P. Experimental investigation of the momentum transfer associated with impact into thin aluminum targets, NASATND-5492 [R]. Moffett Field, CA, US: Ames Research Center, National Aeronautics and Space Administation, 1969.

[14] Sawle D R. Hypervelocity impact in thin sheets and semi-infinite targets at 15 km/s[C]∥Proceedings of AIAA Hypervelocity Impact Conference. Cincinnati, OH, US: AIAA,1969:69-378.

[15] 張德良, 談慶明. 鋁彈丸對鉛雙層靶的超高速撞擊的實(shí)驗(yàn)研究[R].北京：中國科學(xué)院力學(xué)研究所， 1989:72-79.

ZHANG De-liang, TAN Qing-ming. Experimental study on hypervelocity impact of aluminum projectile on lead double layer target[R]. Beijing：Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, 1989:72-79.(in Chinese)

[16] 管公順，龐寶君，哈躍. 鋁球彈丸超高速正撞擊薄鋁板穿孔尺寸研究[J]. 工程力學(xué)，2007,24(12):181-192.

GUAN Gong-shun, PANG Bao-jun, HA Yue. Size investigation of hole due to hypervelocity impact aluminum spheres on thin aluminum sheet[J]. Engineering Mechanics, 2007, 24(12):181-192.(in Chinese)

[17] 武強(qiáng). 含能材料防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊特性研究[D].北京：北京理工大學(xué), 2016.

WU Qiang. Dynamic characteristics of energetic materials shield induced by hypervelocity impact[D]. Beijing:Beijing Institute of Technology, 2016.(in Chinese)

PerforationCharacteristicsofEnergeticMaterialShieldInducedbyHypervelocityImpactofSphericalProjectile

WU Qiang1， ZHANG Qing-ming2, LONG Ren-rong2, GONG Zi-zheng1

(1.Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China; 2.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

The metastable energetic materials were prepared for the space debris shield. Hypervelocity impact tests of PTFE/Al energetic material shield under the conditions of different areal densities, projectile diameters, and impact velocities were conducted by using two-stage light gas gun, and the high speed photographs and the signals from optical pyrometer during impacting were obtained. The analysis results show that the shock initiation of PTFE/Al energetic material shield occurs in the instant of hypervelocity impact, and the perforation process can be divided into three stages: shock detonation, fracture and deflagration, and zero reaction and crushing. A dimensionless empirical expression for perforation diameter of PTFE/Al shield is established based on the experimental results of hypervelocity impact. The effect of ambient temperature on the perforation characteristics of energetic material shield is investigated.

explosion mechanics； PTFE/Al energetic material; hypervelocity impact; perforation process； perforation diameter

O385； TB34

A

1000-1093(2017)11-2126-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.11.007

2017-01-10

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(613311)

武強(qiáng)(1987—)， 男， 工程師， 博士。 E-mail: wuqiang12525@126.com