N型防護(hù)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)與仿真研究

文雪忠, 柯發(fā)偉, 陳 萍, 馬兆俠, 黃 潔

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

航天器運(yùn)行軌道附近存在大量高速運(yùn)動(dòng)的空間碎片，而空間碎片撞擊到航天器時(shí)將會(huì)對(duì)航天器造成損傷，嚴(yán)重時(shí)將造成航天器失靈甚至解體。因此，防護(hù)結(jié)構(gòu)是抵御無(wú)法跟蹤監(jiān)測(cè)的小尺寸空間碎片撞擊的重要屏障，是保障航天器在軌安全的重要部件。航天器的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直是航天器防護(hù)研究中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

1947年F.L.Whipple巧妙利用了先破碎彈丸再利用空間距離使撞擊能量分散的思想，提出了Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)和相同面密度的單層板相比，大幅度提高了撞擊彈丸破碎后(3km/s以上)的彈道極限。到目前為止，在Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，已發(fā)展了多種防護(hù)結(jié)構(gòu)，如改進(jìn)型Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)[1-3]、填充型防護(hù)結(jié)構(gòu)[4-6]、多層沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)[7-8]等，使防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限進(jìn)一步提高，基本原理依然是使彈丸破碎更充分、使撞擊能量散布區(qū)域更大、使吸收的碎片能量更多等。

分析各類(lèi)防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限發(fā)現(xiàn)，防護(hù)結(jié)構(gòu)在正撞擊下的彈道極限在大部分速度區(qū)域內(nèi)都小于斜撞擊下的彈道極限[9]?；谶@一特點(diǎn)考慮，將多層防護(hù)結(jié)構(gòu)的中間層進(jìn)行傾斜來(lái)提高防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限是可能的。1990年W.Schonberg提出的波紋防護(hù)結(jié)構(gòu)在一定程度上也證明了這一點(diǎn)。波紋防護(hù)結(jié)構(gòu)利用斜撞擊下波紋組合層對(duì)撞擊碎片的限制作用，顯著提升了斜撞擊條件下的彈道極限；但這種結(jié)構(gòu)和非波紋結(jié)構(gòu)相比，在正撞擊條件下后板的穿透情況卻無(wú)明顯差別，僅僅是碎片撞擊分布區(qū)域相對(duì)較小[1]。

從防護(hù)結(jié)構(gòu)在斜撞擊條件下的彈道極限高于正撞擊條件下彈道極限這一特性考慮，提出了一種把3層防護(hù)結(jié)構(gòu)的中間層進(jìn)行傾斜形成N型防護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)提高防護(hù)性能的思路。在文獻(xiàn)[10-11]的基礎(chǔ)上，通過(guò)開(kāi)展進(jìn)一步的試驗(yàn)和仿真研究，定量分析了N型防護(hù)結(jié)構(gòu)和相同面密度的3層平行鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的差異。

一般情況下，空間碎片與航天器防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊為斜撞擊，因此從工程應(yīng)用的角度考慮，全面考核防護(hù)結(jié)構(gòu)在不同撞擊角度、不同撞擊速度、不同撞擊位置下的防護(hù)性能，特別是斜撞擊條件下的防護(hù)性能是必要的。但全面考核防護(hù)結(jié)構(gòu)的性能涉及的工作量大，本文目的只是初步論證中間層斜置對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)性能的影響，因此利用超高速碰撞試驗(yàn)和數(shù)值仿真兩種手段，重點(diǎn)分析對(duì)比正撞擊條件下(且撞擊位置處于N型防護(hù)結(jié)構(gòu)中心)，N型防護(hù)結(jié)構(gòu)與3層平行鋁板結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能差異。

1 N型防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從文獻(xiàn)[9]給出的幾種防護(hù)結(jié)構(gòu)彈道極限可以看出，在其它撞擊參數(shù)相同的情況下，撞擊角度增大時(shí)，防護(hù)結(jié)構(gòu)在高速區(qū)的彈道極限隨之增大，而在中速區(qū)，存在斜撞擊下的彈道靶極限小于正撞擊的情況，這種情況在文獻(xiàn)[12]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中亦有體現(xiàn)，這是由于相同速度下彈丸在斜撞擊下的破碎程度低于正撞擊下的破碎程度引起。

為此，提出把多層防護(hù)結(jié)構(gòu)的中間層進(jìn)行傾斜放置，在提高防護(hù)結(jié)構(gòu)高速區(qū)防護(hù)性能的同時(shí)，若能不減弱彈丸正撞擊下的破碎效應(yīng)，則可以使防護(hù)結(jié)構(gòu)在中速區(qū)的防護(hù)性能也得到進(jìn)一步提高?；谶@種設(shè)計(jì)思路，以3層平行鋁板結(jié)構(gòu)為例(圖1)，通過(guò)把防護(hù)結(jié)構(gòu)中的第2層鋁板調(diào)整成一定角度，形成N型防護(hù)結(jié)構(gòu)(圖2)。

圖1 3層平行鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)

圖2 N型防護(hù)結(jié)構(gòu)

當(dāng)彈丸正撞擊3層平行鋁板結(jié)構(gòu)時(shí)，撞擊第1層鋁板后破碎形成的、動(dòng)量較大的碎片主要集中在彈丸飛行彈道附近。這部分碎片以接近正撞擊的狀態(tài)穿透第2層鋁板后，形成的碎片依然集中在彈丸飛行彈道附近。因此后板被這些碎片撞擊所造成的損傷(鼓包或穿孔)也將集中在彈丸飛行彈道附近。

當(dāng)彈丸正撞擊N型防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，彈丸撞擊穿透第1層鋁板后破碎形成的、動(dòng)量較大的碎片同樣集中在彈丸飛行彈道附近，但這部分碎片撞擊第2層鋁板時(shí)，不再是接近正撞擊的狀態(tài)，而是撞擊角度接近第2層鋁板傾角的斜撞擊狀態(tài)。這些碎片斜撞擊穿透第2層鋁板后，動(dòng)量較大的碎片將進(jìn)一步分散，不再集中在彈丸飛行彈道附近。因此后板被這些碎片撞擊所造成的損傷面積將進(jìn)一步增大，但損傷程度(鼓包高度、穿孔情況等)將會(huì)減弱。

利用超高速碰撞試驗(yàn)和數(shù)值仿真兩種手段，分析對(duì)比了相同參數(shù)的正撞擊條件下，面密度相同的3層平行鋁板結(jié)構(gòu)和N型防護(hù)結(jié)構(gòu)后板的損傷情況，分析檢驗(yàn)了把防護(hù)結(jié)構(gòu)的中間層進(jìn)行傾斜后，進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的可能性。

2 超高速碰撞試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的超高速碰撞靶[13](圖3)上開(kāi)展。

圖3 超高速碰撞靶

彈丸為不同直徑的2A12鋁球，靶材為3層平行鋁板結(jié)構(gòu)和N型防護(hù)結(jié)構(gòu)。3層平行鋁板結(jié)構(gòu)的第1、3層分別為1mm和2mm厚的2A12鋁板，第2層為1mm厚的1100純鋁，相鄰鋁板間距為50mm，如圖1所示。N型防護(hù)結(jié)構(gòu)的第1、3層分別為1mm和2mm厚的2A12鋁板，第2層為0.8mm厚的1100純鋁，第2層鋁板與第1、3層鋁板的夾角為36.8°(第2層鋁板厚度和傾角的選取，滿足兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)面密度相同的原則)，相鄰鋁板中心間距為50mm，如圖2所示。

針對(duì)兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)，開(kāi)展了兩組不同撞擊速度的超高速碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)狀態(tài)和試驗(yàn)后兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)后板的損傷情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)狀態(tài)及后板損傷情況

在彈丸直徑為4.0mm、撞擊速度約為3km/s的正撞擊條件下，兩種結(jié)構(gòu)的后板均未出現(xiàn)穿孔，3層平行鋁板結(jié)構(gòu)的后板背面出現(xiàn)一個(gè)直徑約5mm的鼓包和4個(gè)直徑約2mm的鼓包，而同等面密度的N型防護(hù)結(jié)構(gòu)后板背面只出現(xiàn)一個(gè)直徑約4mm的鼓包，如圖4所示。

在彈丸直徑為5.5mm、撞擊速度約為4.8km/s的正撞擊條件下，3層平行鋁板結(jié)構(gòu)后板上出現(xiàn)一個(gè)直徑約2mm的穿孔，碎片損傷區(qū)為圓形區(qū)域，鼓包高度約為11.33mm(以鋁板背面4個(gè)固定孔所在的平面為基準(zhǔn))；N型防護(hù)結(jié)構(gòu)后板上未出現(xiàn)穿孔，碎片損傷區(qū)約為橢圓區(qū)域，鼓包高度約7.66mm(以鋁板背面4個(gè)固定孔所在的平面為基準(zhǔn))，如圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，相同撞擊參數(shù)下N型防護(hù)結(jié)構(gòu)后板上的損傷程度明顯小于3層平行結(jié)構(gòu)后板的損傷程度。試驗(yàn)初步驗(yàn)證了在正撞擊條件下，將中間層進(jìn)行傾斜可在一定程度上提升多層防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能。

(a) 3層平行鋁板結(jié)構(gòu)(Ф=4.0mm, V=2.96km/s)

(b) N型防護(hù)結(jié)構(gòu)(Ф=4.0mm, V=3.00km/s)

(a) 3層平行鋁板結(jié)構(gòu)(Ф=5.5mm, V=4.80km/s)

(b) N型防護(hù)結(jié)構(gòu)(Ф=5.5mm, V=4.81km/s)

3 數(shù)值仿真及結(jié)果分析

3.1數(shù)值仿真

采用AUTODYN有限元軟件平臺(tái)建立彈丸和防護(hù)結(jié)構(gòu)的SPH(光滑粒子流體動(dòng)力學(xué))3D仿真模型。模型采用Z軸對(duì)稱(chēng)方式，彈丸和靶材的材料狀態(tài)方程均采用Shock模型，第1、3層鋁板的強(qiáng)度模型采用Johnson Cook模型，第2層鋁板的強(qiáng)度模型采用Steinberg Guinan模型。

3層平行鋁板結(jié)構(gòu)仿真模型：第1、2、3層鋁板的厚度分別為1、1和2mm，第1層鋁板的尺寸為20mm×10mm，第2、3層鋁板的尺寸均為60mm×30mm，相鄰鋁板間距為50mm。

N型防護(hù)結(jié)構(gòu)仿真模型：第1層鋁板厚度為1mm，尺寸為20mm×10mm；第2層鋁板厚度為0.8mm，尺寸為80mm×40mm，與第1層鋁板的夾角為36.8°；第3層鋁板厚度為2mm，尺寸為60mm×30mm，相鄰鋁板的中心間距為50mm。

3.2仿真結(jié)果分析

利用數(shù)值仿真方法，分析了撞擊速度為3.0km/s和4.8km/s時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的臨界彈丸尺寸，如表2所示。

表2 兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)臨界彈丸尺寸的仿真結(jié)果

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以看出，N型結(jié)構(gòu)和3層平行鋁板結(jié)構(gòu)相比，防護(hù)性能較好。但在撞擊速度較低的情況下，兩種結(jié)構(gòu)的臨界彈丸尺寸差別較?。辉谧矒羲俣容^高的情況下，兩種結(jié)構(gòu)的臨界彈丸尺寸差別相對(duì)較大。仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果符合較好。

假定兩種結(jié)構(gòu)在3～7km/s速度范圍內(nèi)的彈道極限曲線為直線，則根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以給出兩種結(jié)構(gòu)在中速區(qū)的彈道極限(見(jiàn)圖6)，從圖中可以看出，在7km/s速度下，N型防護(hù)結(jié)構(gòu)的臨界彈丸直徑比3層平行鋁板結(jié)構(gòu)約高0.7mm。

圖6 兩種結(jié)構(gòu)在中速區(qū)的彈道極限

圖7給出了3km/s和6km/s速度下兩種結(jié)構(gòu)后板被碎片撞擊后的有效應(yīng)變，每組圖中第一張為3層平行鋁板結(jié)構(gòu)的后板，第二張為N型防護(hù)結(jié)構(gòu)的后板。從圖中可以看出，撞擊條件相同、仿真時(shí)間相同時(shí)，3層平行鋁板結(jié)構(gòu)后板上的應(yīng)變區(qū)域明顯小于N型防護(hù)結(jié)構(gòu)后板上區(qū)域，應(yīng)變大的區(qū)域也更加集中。

(a) Ф=4.0mm, V=3km/s, t=100μs

(b) Ф=5.0mm, V=6km/s，t =70μs

數(shù)值仿真結(jié)果顯示，在速度為3～6km/s的正撞擊條件下，N型防護(hù)結(jié)構(gòu)和3層平行鋁板結(jié)構(gòu)相比，碎片撞擊后板形成的應(yīng)變區(qū)域相對(duì)較大，但損傷程度相對(duì)較低。初步證明了在這一速度范圍內(nèi)，N型防護(hù)結(jié)構(gòu)的性能在正撞擊條件下優(yōu)于3層平行鋁板結(jié)構(gòu)的性能。

分析認(rèn)為，在正撞擊條件下，促使N型防護(hù)結(jié)構(gòu)后板損傷程度降低的原因主要有以下兩點(diǎn)：

一是中間層的傾斜使撞擊碎片更加分散，特別是隨著撞擊速度的提高，這種分散效果愈加明顯，有效分散了撞擊到后板上空間碎片的能量，從而使后板損傷程度降低。

二是傾斜的中間層使撞擊碎片中心分布穿過(guò)第2層鋁板后偏離彈道軸線，在一定程度上增大了碎片飛行距離，增加了碎片擴(kuò)散時(shí)間，使碎片更加分散，從而減低了后板上損傷程度。

在上述研究工作中，未考慮不同撞擊角度、不同撞擊位置下N型防護(hù)結(jié)構(gòu)與3層平行鋁板結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的差異。下面僅初步分析不同撞擊角度、撞擊位置對(duì)N型防護(hù)結(jié)構(gòu)性能的影響機(jī)理，定量的研究工作有待進(jìn)一步開(kāi)展。

在不同撞擊角度下，影響N型防護(hù)結(jié)構(gòu)性能的機(jī)理主要有兩種：一是彈丸撞擊方向向中間層傾斜方向偏離時(shí)，彈丸撞擊第1層鋁板形成的大動(dòng)量碎片與中間層撞擊時(shí)的角度更大，撞擊第2層鋁板后形成的大動(dòng)量碎片更加分散，有利于提升結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，但第2層鋁板對(duì)碎片的破碎作用會(huì)減小，不利于提升結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能；二是彈丸撞擊方向向中間層傾斜的相反方向偏離時(shí)，彈丸撞擊第1層鋁板形成的大動(dòng)量碎片與傾斜中間層撞擊時(shí)的角度變小，分散作用隨之變小，不利于提升結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，但破碎作用和碎片在防護(hù)結(jié)構(gòu)中的飛行距離會(huì)有所增加，有利于提升結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能。

當(dāng)撞擊位置偏離防護(hù)結(jié)構(gòu)中心時(shí)，影響N型防護(hù)結(jié)構(gòu)性能的機(jī)理在于：不同撞擊位置下，雖然防護(hù)結(jié)構(gòu)的總間距不變，但第1層鋁板和第2層鋁板的間距、第2層鋁板和第3層鋁板的間距會(huì)發(fā)生變化，因此會(huì)帶來(lái)防護(hù)結(jié)構(gòu)性能的變化。

此外，以上分析并未考慮中間層反濺碎片對(duì)后板造成的損傷情況，因?yàn)榉礊R碎片速度方向與后板法線方向夾角較大，所以反濺碎片對(duì)后板造成的損傷程度一般較小，并且通過(guò)適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)反濺碎片的防護(hù)，如減小中間層厚度、增加中間層數(shù)目、對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行級(jí)聯(lián)等。

4 結(jié) 論

在給出的正撞擊條件下，試驗(yàn)結(jié)果表明，N型防護(hù)結(jié)構(gòu)和3層平行鋁板結(jié)構(gòu)相比，后板上的損傷區(qū)域較大但損傷程度低；仿真結(jié)果表明，在3km/s速度下，N型防護(hù)結(jié)構(gòu)的臨界彈丸直徑比3層平行鋁板結(jié)構(gòu)的臨界彈丸直徑高0.2mm，在4.8km/s速度下高0.4mm。

研究結(jié)果初步驗(yàn)證了在正撞擊條件下，中間層傾斜能夠提升多層防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，特別是高撞擊速度下的防護(hù)性能。

參考文獻(xiàn):

[1]Schonberg W. Spacecraft wall design for increased protection against penetrations by space debris impact[R]. AIAA 1990-3663, 1990.

[2]Gong Z, Hou M, Xu K. et al. New evidences for high performance of Gong-Hou shield in withstanding hypervelocity impact[C]. 6th European Conference on Space Debris, Darmstadt, Germany, April 22-25, 2013.

[3]王等旺, 張德志, 李捷. 高強(qiáng)高模聚乙烯復(fù)合材料超高速碰撞實(shí)驗(yàn)研究[J]. 兵工學(xué)報(bào)增刊, 2010, 1(31): 234-237.

Wang Dengwang, Zhang Dezhi, Li Jie. Experimental research on hypervelocity impact characteristics of ultra high intensity and molecularweight polyethylene composite material[J]. Acta Armamentar II, 2010, 1(31): 234-237.

[4]Christiansen E L. Enhanced meteoroid and orbital debris shielding[J]. International Journal of Impact Engineering, 1995, 17(1-3): 217-228.

[5]哈躍, 龐寶君, 管公順, 等. 玄武巖纖維布Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊損傷分析[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 5(39): 779-782.

Ha Yue, Pang Baojun, Guan Gongshun, et al. Damage of high velocity impact on basalt fiber hybrid woven-Al Whipple shield[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2007, 5(39): 779-782.

[6]賈斌, 馬志濤, 龐寶君. 含泡沫鋁防護(hù)結(jié)構(gòu)的超高速撞擊數(shù)值模擬研究[J]. 高壓物理學(xué)報(bào), 2009, 23(6): 453-459.

Jia Bin, Ma Zhitao, Pang Baojun. Numerical simulation investigation in hypervelocity impact on shield structure containing aluminum foam[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2009, 23(6): 453-459.

[7]Cour-Palais B G, Crews J L. A multi-shock concept for spacecraft shielding[J]. International Journal of Impact Engineering, 1990, 10(1-4): 135-146.

[8]Ryan S, Christiansen E L. Micrometeoroid and orbital debris (MMOD) shield ballistic limit analysis program[R]. NASA/TM-2009-214789, 2009.

[9]Christiansen E L. Handbook for designing MMOD protection[R]. NASA/TM-2009-214785, 2009

[10] Wen Xuezhong, KE Fawei, Huang Jie, et al. Preliminary study on configuration of triple-wall shield with oblique middle wall[C]. 6th European Conference on Space Debris, Darmstadt, Germany, April 22-25, 2013.

[11] Wen Xuezhong, Huang Jie, Ke Fawei, et al. Debris dispersion effect in N-shape shield configuration[C]. 64th International Astronautical Congress, Beijing, China, Sep. 23-27, 2013.

[12] 柳森, 李毅, 黃潔, 等. 用于驗(yàn)證數(shù)值仿真的Whipple屏超高速撞擊試驗(yàn)結(jié)果[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2005, 26(4): 505-508.

Liu Sen, Li Yi, Huang Jie, et al. Hypervelocity impact test results of Whipple shield for the validation of numerical simulation[J]. Journal of Astronautics, 2005, 26(4): 505-508.

[13] Liu Sen, Huang Jie, Li Yi, et al. Recent advancement of hypervelocity impact tests at HAI, CARDC[C]. 11th Hypervelocity Impact Symposium, Freiburg, Germany，April 11-15, 2010.

作者簡(jiǎn)介:

文雪忠(1982-)，男，云南建水人，碩士，助理研究員。研究方向：超高速碰撞測(cè)量研究。通訊地址：四川省綿陽(yáng)市中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(621000)。E-mail：wenxz@mail.xjtu.edu.cn