文雪忠，黃 潔，趙君堯，柯發(fā)偉，馬兆俠，柳 森

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所，四川 綿陽 621000）

隨著人類航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，大量的航天器被部署到太空，航天器廢棄、相互碰撞解體等事件也產(chǎn)生了越來越多的空間碎片。這些空間碎片的速度極高（平均速度超過10 km/s），當(dāng)撞擊到航天器時將造成航天器的結(jié)構(gòu)損傷、功能失效、甚至解體損毀等。因此，防護(hù)結(jié)構(gòu)是航天器抵御空間碎片撞擊，特別是抵御尺寸較小、無法被跟蹤監(jiān)測的空間碎片撞擊的最重要屏障，在不增大結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量的前提下，提升結(jié)構(gòu)對空間碎片的防護(hù)性能始終是一項(xiàng)具有重要應(yīng)用價(jià)值的工作[1]。

從Whipple 結(jié)構(gòu)開始，以提升結(jié)構(gòu)防護(hù)性能為目標(biāo)，已發(fā)展了多種類型的防護(hù)結(jié)構(gòu)[2]，如：改變緩沖屏結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對空間碎片破碎效果的改進(jìn)型Whipple 結(jié)構(gòu)[3-6]；在緩沖屏與后墻之間填充輕質(zhì)吸能結(jié)構(gòu)、減弱碎片云對結(jié)構(gòu)后墻損傷的填充式結(jié)構(gòu)[7-11]；增加結(jié)構(gòu)中的防護(hù)層數(shù)，提高對碎片云破碎和阻擋作用的三層鋁板結(jié)構(gòu)[12]；改變防護(hù)層常規(guī)平行布局方式、利用傾斜布置中間層來進(jìn)一步分散碎片云撞擊能量的N 形結(jié)構(gòu)[13]等。

以探索改變后墻結(jié)構(gòu)來提升防護(hù)性能為目的，Wen 等[14]初步驗(yàn)證了在后墻表面緊貼一層輕質(zhì)材料來提供結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的可行性，Wen 等[15]初步研究了對后墻進(jìn)行拆分來提高結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的可行性。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)后墻拆分方式對提升結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的有效性，本文中設(shè)計(jì)典型的后墻拆分防護(hù)結(jié)構(gòu)，通過開展數(shù)值模擬研究，探討Whipple 結(jié)構(gòu)與后墻拆分結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的差異，分析鋁球以不同速度撞擊防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻的損傷情況，初步對比研究后墻拆分結(jié)構(gòu)在不同撞擊速度下的防護(hù)性能。針對典型撞擊狀態(tài)開展實(shí)驗(yàn)，對比后墻拆分形式不同的兩種結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，并與相同面密度的Whipple 結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能進(jìn)行對比，同時通過實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證數(shù)值模擬的有效性，進(jìn)一步驗(yàn)證后墻拆分結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能。

1 防護(hù)結(jié)構(gòu)形式

選擇典型的Whipple 結(jié)構(gòu)作為基準(zhǔn)，其緩沖屏、后墻、觀察屏厚度分別為2、3 和1 mm，相鄰兩塊鋁板間距分別為100 和50 mm，如圖1(a)所示。在此基礎(chǔ)上將后墻拆分為兩塊鋁板疊加的結(jié)構(gòu)，共獲得兩種后墻拆分(separated rear wall)防護(hù)結(jié)構(gòu)，分別編號為SRW1 和SRW2，如圖1(b)和1(c)所示。其中SRW1 后墻第1 層板厚1 mm，第2 層板厚2 mm；SRW2 后墻第1 層板厚2 mm，第2 層厚1 mm。3 種防護(hù)結(jié)構(gòu)的具體尺寸如表1 所示，防護(hù)結(jié)構(gòu)的材料均選用2A12 鋁。

圖1 3 種防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Sketches for three kinds of shield structures

表1 3 種防護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)Table 1 The sizes of three kinds of shields

2 后墻防護(hù)性能數(shù)值模擬

研究防護(hù)結(jié)構(gòu)在較高動能彈丸撞擊下的性能優(yōu)劣時，為了更貼近空間碎片實(shí)際撞擊情況，采用直徑6.0 mm 的2A12 鋁球作為彈丸，分別以5.0、6.0、7.0 和8.3 km/s 的典型速度撞擊這3 種防護(hù)結(jié)構(gòu)。采用Autodyn 軟件開展了鋁球撞擊兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)（Whipple 結(jié)構(gòu)和SRW1 結(jié)構(gòu)）的數(shù)值模擬，模型為1/2 對稱二維模型，其中對彈丸和緩沖屏采用光滑粒子流體動力學(xué)(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法建模（粒子尺寸為0.05 mm），對后墻采用Lagrange 建模（網(wǎng)格尺寸為0.1 mm）。彈丸、緩沖屏和后墻材料的狀態(tài)方程均采用Autodyn 數(shù)據(jù)庫中2A12 鋁對應(yīng)的Tillotson 狀態(tài)方程，強(qiáng)度模型采用Johnson-Cook 強(qiáng)度模型，失效模式采用Grady 層裂模型以表征材料的層裂現(xiàn)象。

Tillotsen 狀態(tài)方程是將p-v 平面分成4 個區(qū)域，每個區(qū)域?qū)?yīng)的方程形式如下。

Whipple 結(jié)構(gòu)和SRW1 結(jié)構(gòu)在直徑6.0 mm 的彈丸以4 種速度撞擊下后墻損傷情況的模擬結(jié)果見圖2～3，圖2 中淺藍(lán)色線條表示W(wǎng)hipple 結(jié)構(gòu)中厚度為3 mm 的后墻鋁板，圖3 中淺藍(lán)色線條表示SRW1結(jié)構(gòu)中厚度為1 mm 的后墻前板，紅色線條表示SRW1 結(jié)構(gòu)中厚度為2 mm 的后墻后板。圖2～3 所示模擬時刻均為撞擊后40 μs。

圖2 Whipple 結(jié)構(gòu)后墻在直徑6.0 mm 的彈丸以不同速度撞擊后40 μs 的損傷Fig. 2 Damage in the rear wall of the Whipple shield at 40 μs after it was impacted by a 6.0-mm-diameter aluminum projectile at different impact velocities

從圖2～3 可以看出，在相同撞擊速度下，SRW1 結(jié)構(gòu)后墻的損傷明顯輕于Whipple 結(jié)構(gòu)后墻的損傷。例如：在5.0 km/s 時，Whipple 結(jié)構(gòu)后墻撞擊中心區(qū)域出現(xiàn)明顯層裂或剝落（直徑約16 mm）以及較大尺寸的穿孔（直徑約3 mm），而SRW1 結(jié)構(gòu)后墻僅在撞擊中心區(qū)域出現(xiàn)小尺寸剝落（直徑約9 mm）和臨界穿孔；在6.0 km/s 時，Whipple 結(jié)構(gòu)后墻出現(xiàn)較大尺寸層裂或剝落（直徑約30 mm），而SRW1 結(jié)構(gòu)后墻未出現(xiàn)穿孔和剝落損傷，僅在撞擊中心區(qū)域出現(xiàn)變形和鼓包；在7.0 km/s 時，Whipple 結(jié)構(gòu)后墻同樣出現(xiàn)了較大尺寸的層裂和剝落（直徑約38 mm），而SRW1 結(jié)構(gòu)后墻未出現(xiàn)穿孔和剝落損傷，同樣僅在撞擊中心區(qū)域出現(xiàn)變形和鼓包；在8.3 km/s 時，Whipple 結(jié)構(gòu)的后墻背面在撞擊中心區(qū)域出現(xiàn)剝落損傷，損傷區(qū)域直徑范圍為15～19 mm（數(shù)值模型為1/2 對稱模型，則全尺寸數(shù)值模型對應(yīng)的損傷區(qū)域直徑為30～38 mm），而SRW1 結(jié)構(gòu)后墻撞擊中心區(qū)域出現(xiàn)較明顯變形鼓包，但未出現(xiàn)穿孔或剝落損傷。

從模擬結(jié)果可看出，在5.0～8.3 km/s 撞擊速度范圍內(nèi)，SRW1 結(jié)構(gòu)后墻的損傷均輕于Whipple 結(jié)構(gòu)后墻的損傷，且隨著撞擊速度的增高，這種差別具有增大的趨勢。上述模擬結(jié)果表明，后墻拆分能夠降低防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻的損傷，具有在不改變結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的優(yōu)勢，而且這種優(yōu)勢具有隨著撞擊速度的增高而增大的趨勢。

圖3 SRW1 結(jié)構(gòu)后墻在直徑6.0 mm 的彈丸以不同速度撞擊后40 μs 的損傷Fig. 3 Damage in the rear wall of the SRW1 shield at 40 μs after it was impacted by a 6.0-mm-diameter aluminum projectile at different impact velocities

3 后墻防護(hù)性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法與結(jié)果的正確性，同時進(jìn)一步研究后墻拆分方式對結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的影響，針對3 種面密度相同的防護(hù)結(jié)構(gòu)開展了超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在超高速彈道靶[16]上開展，見圖4。

參照圖1 所示的防護(hù)結(jié)構(gòu)，組裝得到3 種防護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。

選擇典型數(shù)值模擬狀態(tài)作為實(shí)驗(yàn)工況開展對比研究，實(shí)驗(yàn)彈丸為直徑6.0 mm 的2A12 鋁球，鋁球以約8.3 km/s 的速度分別撞擊這3 種防護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)后3 種結(jié)構(gòu)的后墻損傷情況如圖6～8[14]所示。

從圖6～8 可以看出，在相近的撞擊參數(shù)下，3 種結(jié)構(gòu)后墻正面均出現(xiàn)大面積的撞擊痕跡，背面均出現(xiàn)明顯鼓包變形，但未被擊穿。其中Whipple 后墻背面出現(xiàn)較大尺寸的剝落損傷，剝落區(qū)域直徑約為35 mm；SRW1 結(jié)構(gòu)后墻中的兩層板均未出現(xiàn)剝落損傷；SRW2 結(jié)構(gòu)后墻中的第1 層板剝落損傷，但第2 層板出現(xiàn)較小尺寸的剝落損傷，剝落區(qū)域尺寸明顯小于Whipple 結(jié)構(gòu)的，僅約為9 mm。此外，在Whipple 結(jié)構(gòu)觀察屏正面還可看到后墻剝落碎片撞擊形成的凹坑，在背面可看到剝落碎片撞擊形成的鼓包，而SRW2 結(jié)構(gòu)觀察屏上未發(fā)現(xiàn)明顯的撞擊損傷痕跡。具體損傷結(jié)果見表2。

圖4 超高速彈道靶Fig. 4 Hypervelocity ballistic range

通過對比3 種結(jié)構(gòu)后墻的損傷情況，可以看出其中損傷最嚴(yán)重的是Whipple 結(jié)構(gòu)，其次是SRW2 結(jié)構(gòu)，最后是SRW1 結(jié)構(gòu)。因此可以進(jìn)一步判斷，在上述實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，SRW1 結(jié)構(gòu)防護(hù)性能最佳，SRW2 結(jié)構(gòu)防護(hù)性能次之，Whipple 結(jié)構(gòu)防護(hù)性能最差。

同時對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證研究，模擬和實(shí)驗(yàn)得到在8.3 km/s 速度撞擊下，Whipple 結(jié)構(gòu)后墻的損傷區(qū)域直徑分別為30～38 mm 和35 mm，而SRW1 結(jié)構(gòu)后墻均表現(xiàn)為鼓包，無明顯剝落現(xiàn)象，如圖9 所示?；诖丝傻贸鼋Y(jié)論，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與初步模擬結(jié)果具有較高的一致性，這進(jìn)一步證明了后墻拆分結(jié)構(gòu)防護(hù)性能更佳，同時驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，可通過該數(shù)值方法進(jìn)一步對后墻拆分防護(hù)結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行模擬研究。

圖5 3 種防護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)物照片F(xiàn)ig. 5 Photos for three kinds of shield structures

圖6 Whipple 結(jié)構(gòu)在直徑6.0 mm 的鋁球以8.31 km/s 的速度撞擊下的損傷情況[14]Fig. 6 The damage of the Whipple shield impacted by the 6.0-mm-diameter aluminum projectile with the initial impact velocity of 8.31 km/s[14]

圖7 SRW1 結(jié)構(gòu)在直徑6.0 mm 的鋁球以8.25 km/s 的速度撞擊下的損傷情況[14]Fig. 7 The damage of the SRW1 shield impacted by the 6.0-mm-diameter aluminum projectile with the initial impact velocity of 8.25 km/s[14]

圖8 SRW2 結(jié)構(gòu)在直徑6.0 mm 的鋁球以8.41 km/s 的速度撞擊下的損傷情況[14]Fig. 8 The damage of the SRW2 shield impacted by the 6.0-mm-diameter aluminum projectile with the initial impact velocity of 8.41 km/s[14]

表2 實(shí)驗(yàn)中3 種防護(hù)結(jié)構(gòu)損傷情況Table 2 The damage of three kinds of shields in tests

圖9 兩種結(jié)構(gòu)后墻損傷情況的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對比Fig. 9 Comparison of the damage of the rear Walls in two kinds of shield between experiment and simulation

通過拆分后墻能夠提升結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的主要原因，可能在于后墻拆分后，組成后墻的兩層鋁板之間存在分離界面，界面將導(dǎo)致碎片撞擊后墻產(chǎn)生的沖擊波在界面位置出現(xiàn)反射效應(yīng)（這點(diǎn)可從圖5(b)和圖5(c)中組成后墻的兩層鋁板在實(shí)驗(yàn)后出現(xiàn)明顯分離界面看出），反射效應(yīng)的出現(xiàn)將在一定程度上造成沖擊波能量的衰減，從而降低了后墻的損傷。

此外，值得一提的是，針對后墻由兩層鋁板組成的拆分結(jié)構(gòu)，在碎片撞擊后墻過程中，由于第2 層鋁板對第1 層鋁板的保護(hù)作用，第1 層鋁板的損傷程度較低。因此，在以防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻穿孔為失效判據(jù)的一些特殊場合，這種后墻拆分結(jié)構(gòu)將具有更高的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 束 語

利用超高速撞擊實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，對比研究了后墻拆分結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能。研究結(jié)果表明，通過拆分防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻、在后墻中形成分離界面的方式，能夠在不改變結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的有效提升，且隨著撞擊速度的增高，這種提升效果有增大的趨勢。

后墻拆分結(jié)構(gòu)相較傳統(tǒng)Whipple 防護(hù)結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)的防護(hù)性能，初步分析原因在于：拆分結(jié)構(gòu)相較完整鋁板，其內(nèi)部增添了新的自由界面，而碎片云撞擊后墻產(chǎn)生的沖擊波在后墻內(nèi)傳播，完整鋁板內(nèi)沖擊波經(jīng)背面反射產(chǎn)生的拉伸稀疏波和沖擊波的共同作用將導(dǎo)致背部出現(xiàn)層裂甚至剝落，而拆分結(jié)構(gòu)內(nèi)部新的自由面將對沖擊波進(jìn)行反射，進(jìn)而消耗沖擊波的能量，最終導(dǎo)致傳遞到第2 層板的沖擊波強(qiáng)度減小，使得拆分結(jié)構(gòu)背部破壞程度降低。當(dāng)彈丸以較低速度撞擊防護(hù)結(jié)構(gòu)時，緩沖屏對彈丸破碎程度較低，碎片云頭部仍有較大塊碎片，對后墻的損傷模式主要表現(xiàn)為侵徹?fù)p傷。隨著撞擊速度的增高，彈丸撞擊緩沖屏后的破碎程度增大，碎片云中都是尺寸較細(xì)小的碎片，碎片撞擊后墻引起的主要損傷模式將由侵徹?fù)p傷變?yōu)闆_擊損傷，沖擊波的傳播將是后墻破壞的最主要原因，而分離界面的存在能夠衰減沖擊能量在后墻中的傳播，這也導(dǎo)致了在更高的撞擊速度下，后墻拆分結(jié)構(gòu)防護(hù)性能更佳。

為了更加全面地評估這種后墻拆分結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，后續(xù)還將進(jìn)行更多狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，以獲得這種拆分結(jié)構(gòu)的彈道極限曲線。