管公順，戴訓(xùn)洋，張 鐸

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院航天工程系，黑龍江 哈爾濱 150080）

空間碎片對(duì)航天器在軌運(yùn)行安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1-2]，空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)已成為長(zhǎng)期在軌航天器的結(jié)構(gòu)方案中必須考慮的問(wèn)題[3-5]。在航天器艙壁外增設(shè)防護(hù)屏是提高航天器在空間碎片環(huán)境中生存力的有效方法[6]。防護(hù)屏是航天器抵御空間碎片撞擊的最外層屏障，起到破碎空間碎片，吸收、分散撞擊動(dòng)能的作用[7-8]。由于防護(hù)材料具有多樣性，撞擊時(shí)將出現(xiàn)復(fù)雜的高速撞擊現(xiàn)象[9-10]。對(duì)于相同材料和相同面密度的防護(hù)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)方案不同也會(huì)使其防護(hù)空間碎片的能力產(chǎn)生差異[11]，防護(hù)結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能通常采用彈道極限進(jìn)行評(píng)價(jià)[12]。航天器上的防護(hù)結(jié)構(gòu)多為填充和多沖擊結(jié)構(gòu)，防護(hù)結(jié)構(gòu)中的防護(hù)層材料、數(shù)量和位置是影響防護(hù)結(jié)構(gòu)高速撞擊防護(hù)性能的主要因素[13-14]。玄武巖纖維布作為防護(hù)結(jié)構(gòu)中的吸能填充材料已被廣泛應(yīng)用于航天器的空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，并且實(shí)踐證明其具有良好的防護(hù)性能[15-16]。目前，空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與防護(hù)性能的工程評(píng)價(jià)是載人航天器總體設(shè)計(jì)中亟待解決的問(wèn)題。為此，本研究將對(duì)玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行高速撞擊實(shí)驗(yàn)，分析防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限速度，研究鋁球彈丸高速擊穿玄武巖纖維布和鋁板后未破碎時(shí)的剩余速度特性，進(jìn)而評(píng)價(jià)防護(hù)結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能。

1 高速撞擊實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用玄武巖纖維布和2A12 鋁板作為組合防護(hù)結(jié)構(gòu)中的防護(hù)層，5A06 鋁板作為模擬艙壁的后板，總防護(hù)間距為100 mm，后板厚度為3 mm。設(shè)計(jì)了3 種組合防護(hù)結(jié)構(gòu)：玄武巖纖維布-鋁板-鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)BAA）、鋁板-玄武巖纖維布-鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)ABA）和鋁板-鋁板-鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)AAA）。其中，2A12 鋁板厚度為0.5 mm，玄武巖纖維布的面密度為0.136 g/cm2，兩個(gè)防護(hù)層的間距為50 mm。同時(shí)進(jìn)行了前板為1 mm 厚2A12 鋁板、后板為3 mm 厚5A06 鋁板、間距為100 mm 的Whipple 防護(hù)結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)WAA）的撞擊實(shí)驗(yàn)。上述4 種防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)采用的防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Shield configuration in the test

實(shí)驗(yàn)采用非火藥驅(qū)動(dòng)的二級(jí)輕氣炮加速?gòu)椡?，一?jí)驅(qū)動(dòng)活塞的氣體為氮?dú)?，二?jí)加速?gòu)椡韬蛷椡械臍怏w為氫氣，利用氣動(dòng)阻力實(shí)現(xiàn)彈托與彈丸分離。2017 鋁球彈丸直徑為3.97 mm，撞擊速度為1.49～3.65 km/s，撞擊角為0°，彈丸撞擊靶板前的運(yùn)動(dòng)速度用磁感應(yīng)方法測(cè)量，測(cè)量精度高于2%，靶艙內(nèi)壓力小于200 Pa。本研究針對(duì)上述4 種防護(hù)結(jié)構(gòu)共進(jìn)行了21 次高速撞擊實(shí)驗(yàn)。

鋁球彈丸高速正撞擊防護(hù)結(jié)構(gòu)后，防護(hù)結(jié)構(gòu)中防護(hù)層的損傷模式與彈丸撞擊的先后次序有關(guān)。當(dāng)鋁板為首層時(shí)，其損傷為邊緣光滑的圓形穿孔；當(dāng)玄武巖纖維布為首層時(shí)，其穿孔邊緣較為規(guī)則平整，纖維絲拉伸現(xiàn)象不明顯。對(duì)于鋁板為第2 層的情況，當(dāng)撞擊速度較低時(shí)，其損傷為邊緣向后凹陷變形的近似圓形穿孔，當(dāng)撞擊速度較高時(shí)，其中心穿孔不再是邊緣光滑的圓孔，且穿孔周?chē)霈F(xiàn)小彈坑。對(duì)于玄武巖纖維布為第2 層的情況，其中心穿孔邊緣出現(xiàn)明顯的纖維絲拉伸斷裂現(xiàn)象，且撞擊速度越大，纖維絲拉伸現(xiàn)象越顯著，同時(shí)中心穿孔周?chē)霈F(xiàn)小穿孔。后板損傷模式隨撞擊速度的不同而有所區(qū)別，包括彈坑、背面剝落、不規(guī)則穿孔等。由于第1 防護(hù)層受到鋁球撞擊后的損傷模式差別不明顯，因此，只給出了第2 防護(hù)層和后板損傷的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2、圖3 和圖4 所示。表1 給出了不同防護(hù)結(jié)構(gòu)在不同撞擊速度下的后板損傷情況，其中：實(shí)驗(yàn)編號(hào)后面的數(shù)字代表實(shí)驗(yàn)序號(hào)，vp為彈丸撞擊速度。

表1 不同撞擊速度時(shí)防護(hù)結(jié)構(gòu)的后板損傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of rear wall damage at different impact velocities

圖2 鋁板-玄武巖纖維布-鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊損傷結(jié)果Fig. 2 Damage results of composite shield of Al-plate/basalt fiber cloth/Al-plate at different impact velocities

圖3 玄武巖纖維布-鋁板-鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊損傷結(jié)果Fig. 3 Damage results of composite shield of basalt fiber cloth/Al-plate/Al-plate at different impact velocities

由圖2 和圖3 可以看出，當(dāng)實(shí)驗(yàn)ABA-3 和BAA-2 的撞擊速度分別為1.70 和1.71 km/s 時(shí)，ABA-3 的后板失效模式為剝落穿孔，彈丸嵌在板中，如圖2(c)所示，而B(niǎo)AA-2 的后板失效模式為貫穿孔，如圖3(b)所示。當(dāng)實(shí)驗(yàn)ABA-5 和BAA-3的撞擊速度分別為1.98 和1.96 km/s 時(shí)，ABA-5 和B A A-3 的后板穿孔等效面積圓直徑分別為5.14 和5.28 mm，BAA-3 的后板穿孔尺寸大于ABA-5 的后板穿孔尺寸。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)BAA 的后板撞擊面上除中心穿孔或中心大彈坑外，周?chē)霈F(xiàn)了一些較大彈坑，如圖3 所示；而結(jié)構(gòu)ABA 的后板撞擊面上中心穿孔或中心大彈坑周?chē)鷦t無(wú)明顯較大彈坑，如圖2 所示?？梢?jiàn)，在相同撞擊條件下，當(dāng)鋁球彈丸撞擊鋁板/玄武巖纖維布組合防護(hù)結(jié)構(gòu)后未發(fā)生破碎時(shí)，與結(jié)構(gòu)ABA 的后板撞擊損傷相比，結(jié)構(gòu)BAA 的后板損傷相對(duì)嚴(yán)重。另外，結(jié)構(gòu)AAA 的后板中心彈坑或中心穿孔周?chē)餐瑯映霈F(xiàn)了一些較大彈坑，且結(jié)構(gòu)AAA 的第2 層鋁板中心穿孔周?chē)霈F(xiàn)一些小彈坑或小穿孔 ，如圖4 所示。

圖4 鋁板-鋁板-鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊損傷結(jié)果Fig. 4 Damage results of shield of three Al-plates at different impact velocities

2 防護(hù)性能分析

2.1 鋁球彈丸擊穿玄武巖纖維布后的剩余速度

對(duì)于較薄的玄武巖纖維布，當(dāng)撞擊速度較高時(shí)，彈丸擊穿玄武巖纖維布所消耗的能量與彈丸撞擊動(dòng)能相比是小量，因此式(10)可化簡(jiǎn)為

式中：C1為常數(shù)。

由文獻(xiàn)[18]可知，直徑為3.97、4.76 和6.35 mm 的鋁球彈丸分別以2.43、2.38和2.43 km/s 的速度擊穿面密度為401 g/m2的玄武巖纖維布后的速度減小量分別為0.21、0.19和 0.14 km/s。這說(shuō)明不同直徑的鋁球彈丸以相同的速度擊穿相同面密度的玄武巖纖維布時(shí)，彈丸直徑越大，彈丸速度減小量越小。同時(shí)文獻(xiàn)[18]的結(jié)果顯示，直徑為4.76 和6.35 mm 的鋁球彈丸分別以2.34 km/s的速度擊穿面密度為212 g/m2的玄武巖纖維布后的速度減小量分別為0.18 和0.12 km/s?？梢?jiàn)，當(dāng)相同直徑的鋁球彈丸擊穿玄武巖纖維布時(shí)，玄武巖纖維布的面密度越大，彈丸速度減小量也越大。因此，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果所反映的規(guī)律與式(15)描述的鋁球彈丸擊穿玄武巖纖維布后的速度減小量的變化規(guī)律一致。

2.2 鋁球彈丸擊穿組合防護(hù)屏后的剩余速度

鋁球彈丸擊穿玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)屏，即擊穿玄武巖纖維布和2A12 鋁板。當(dāng)鋁球彈丸擊穿鋁板后未發(fā)生破碎時(shí)，彈丸速度的變化規(guī)律與擊穿玄武巖纖維布后的情況不同。假設(shè)鋁板被撞飛的部分所受的阻力主要來(lái)自剪切應(yīng)力，同時(shí)忽略其他能量消耗，則形成彈孔所消耗的能量為

式中：C2為常數(shù)，由彈丸直徑、彈丸材料密度、鋁板材料密度和鋁板厚度決定。

對(duì)于玄武巖纖維布在前、鋁板在后的組合防護(hù)屏，彈丸首先擊穿玄武巖纖維布，根據(jù)式(16)，其剩余速度為vpr1=vp-C1。之后，未破碎的彈丸繼續(xù)擊穿鋁板，由式(19)得到其剩余速度為vrb=C2vpr1，則彈丸擊穿玄武巖纖維布-鋁板組合防護(hù)屏后的剩余速度為

對(duì)于鋁板在前、玄武巖纖維布在后的組合防護(hù)屏，彈丸首先擊穿鋁板，根據(jù)式(19)，其剩余速度為vpr1=C2vp。之后，未破碎的彈丸繼續(xù)擊穿玄武巖纖維布，由式(16)得到其剩余速度為vra=vpr1-C1，則彈丸擊穿玄武巖纖維布-鋁板組合防護(hù)屏后的剩余速度為

由于C2＜ 1，則C1＞C2C1，因此vra＜vrb，所以，鋁球彈丸未破碎時(shí)，與玄武巖纖維布后置時(shí)相比，彈丸擊穿玄武巖纖維布前置的組合防護(hù)屏后的剩余速度更大。

基于上述分析得到的彈丸擊穿玄武巖纖維布和鋁板后的剩余速度特性，分別針對(duì)玄武巖纖維布-鋁板、鋁板-玄武巖纖維布、鋁板-鋁板和單鋁板4 種防護(hù)屏，分析了玄武巖纖維布位置、撞擊參數(shù)等對(duì)鋁球彈丸擊穿防護(hù)屏后剩余速度的影響，其中，作為單防護(hù)屏的2A12 鋁板厚度為1.0 mm，雙層防護(hù)屏中的2A12 鋁板厚度為0.5 mm，玄武巖纖維布的面密度為0.136 g/cm2，兩個(gè)防護(hù)層的間距為50 mm。選用的2017 鋁球彈丸直徑分別為3.97 和4.76 mm，根據(jù)文獻(xiàn)[18]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，鋁球彈丸擊穿玄武巖纖維布后的速度減小量近似取0.2 km/s。利用式(18)、式(20)和式(21)計(jì)算得到了彈丸分別擊穿上述防護(hù)屏后的剩余速度變化規(guī)律，如圖5、圖6 所示。

由圖5 可以看出，隨著撞擊速度vp的增加，彈丸擊穿玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)屏后的速度減小量Δv呈正比例線性增大，相對(duì)剩余速度vpr/vp呈非線性增大，而相對(duì)速度減小量Δv/vp呈非線性減小。當(dāng)撞擊速度不變時(shí)，對(duì)于相同的防護(hù)結(jié)構(gòu)，隨著彈丸直徑增大，彈丸擊穿防護(hù)屏后的速度減小量和相對(duì)速度減小量均減小，而彈丸相對(duì)剩余速度增大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彈丸直徑和撞擊速度不變時(shí)，與鋁板前置時(shí)相比，玄武巖纖維布前置時(shí)的彈丸速度減小量和相對(duì)速度減小量更小，而相對(duì)剩余速度更大。這說(shuō)明，在防護(hù)屏面密度相同的情況下，鋁板前置組合防護(hù)屏比玄武巖纖維布前置組合防護(hù)屏對(duì)鋁球彈丸具有更強(qiáng)的降速能力。由于在彈道段撞擊速度范圍內(nèi)，撞擊動(dòng)能是造成后板損傷的主要因素，因此，彈丸剩余速度越小，對(duì)后板造成的撞擊損傷越輕。由此可知，在彈道段撞擊速度范圍內(nèi)，鋁板前置組合防護(hù)屏比玄武巖纖維布前置組合防護(hù)屏對(duì)鋁球彈丸的高速撞擊具有更好的防護(hù)性能。

圖5 彈丸擊穿玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)屏后的剩余速度與撞擊速度的關(guān)系Fig. 5 Relationships between impact velocity and residual velocity of projectile after penetrating basalt fiber cloth/Al-plate composite bumpers

由圖6 可以看出，在相同撞擊條件、相同防護(hù)屏面密度的情況下，與單鋁板防護(hù)屏相比，雙層鋁板防護(hù)屏可使彈丸的速度減小量和相對(duì)速度減小量更大，使彈丸的相對(duì)剩余速度更小。由鋁板對(duì)彈丸撞擊速度的減速特性可知，在彈道段撞擊速度范圍內(nèi)，鋁球彈丸擊穿鋁板防護(hù)屏后的相對(duì)剩余速度和相對(duì)速度減小量均近似為常數(shù)，如圖6(b)和圖6(c)所示。比較鋁球彈丸擊穿玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)屏和鋁板防護(hù)屏后的剩余速度發(fā)現(xiàn)，在彈道段撞擊速度范圍內(nèi)，當(dāng)撞擊速度較低時(shí)，玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)屏可使彈丸的速度減小量和相對(duì)速度減小量更大，使彈丸相對(duì)剩余速度更??；當(dāng)撞擊速度較高時(shí)，鋁板防護(hù)屏可使彈丸的速度減小量和相對(duì)速度減小量更大，使彈丸相對(duì)剩余速度更小。因此，玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)屏和鋁板防護(hù)屏適用于防護(hù)不同撞擊速度的鋁球彈丸。

圖6 彈丸擊穿不同組合防護(hù)屏后的剩余速度與撞擊速度的關(guān)系Fig. 6 Relationship between impact velocity and residual velocity of projectile after penetrating different composite bumpers

2.3 彈道極限速度比較

彈丸擊穿防護(hù)屏后未發(fā)生破碎時(shí)，防護(hù)屏使彈丸速度降低，彈丸以更低的速度撞擊后板。圖1 所示防護(hù)結(jié)構(gòu)的后板是厚度為3 mm 的5A06 鋁板，本研究利用二級(jí)輕氣炮發(fā)射直徑為3.18 mm 的2017 鋁球彈丸高速正撞擊該鋁板，獲得該鋁板發(fā)生穿孔失效的彈道極限速度為1.61 km/s，即該鋁板發(fā)生穿孔失效的臨界撞擊動(dòng)能為62.47 J。當(dāng)彈丸和鋁板材料不變時(shí)，使一定厚度的鋁板剛好發(fā)生穿孔失效的彈丸臨界撞擊動(dòng)能Eb近似為常數(shù)[20]。因此，可得到直徑為3.97 mm 的2017 鋁球彈丸高速正撞擊厚度為3 mm 的5A06 鋁板發(fā)生穿孔失效的彈道極限速度為1.17 km/s。基于該彈道極限速度，針對(duì)圖1 所示的4 種防護(hù)結(jié)構(gòu)，利用式(18)、式(20)和式(21)對(duì)直徑為3.97 mm 的2017 鋁球彈丸高速正撞擊上述防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生穿孔失效的彈道極限速度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并與表1 所列實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果見(jiàn)表2。表2 中：vcc為彈道極限速度的計(jì)算值，vce為彈道極限速度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，δc為彈道極限速度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)偏差?？梢?jiàn)，彈道極限速度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

由表2 中的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果可以看出：在彈道段撞擊速度范圍內(nèi)，鋁板-玄武巖纖維布-鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限速度大于玄武巖纖維布-鋁板-鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限速度，而鋁板-鋁板-鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限速度大于鋁板Whipple 防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限速度。

表2 彈道極限速度的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Calculated and experimental results of ballistic limit velocity

3 結(jié) 論

(1) 在彈道段撞擊速度范圍內(nèi)，相同直徑的鋁球彈丸以不同的速度擊穿相同面密度的玄武巖纖維布時(shí)，彈丸的速度減小量近似為常數(shù)。

(2) 在彈道段撞擊速度范圍內(nèi)，鋁球彈丸直徑越大，彈丸擊穿相同面密度的玄武巖纖維布后的速度減小量越??；當(dāng)彈丸直徑不變時(shí)，玄武巖纖維布的面密度越大，彈丸的速度減小量越大。

(3) 在彈道段撞擊速度范圍內(nèi)，當(dāng)組合防護(hù)屏的面密度相同時(shí)，鋁板前置的玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)比玄武巖纖維布前置的組合防護(hù)結(jié)構(gòu)具有更好的高速撞擊防護(hù)性能。