鋁球彈丸高速正撞擊金屬網(wǎng)防護(hù)屏實(shí)驗(yàn)研究

管公順，張 羽，蒲東東

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

空間碎片高速撞擊為航天器在軌安全運(yùn)行的潛在威脅之一[1-2]。用于防護(hù)毫米級(jí)空間碎片超高速撞擊的有效方法為在航天器外部加裝防護(hù)屏，通過其對(duì)撞擊粒子的破碎膨脹效應(yīng)形成不斷擴(kuò)展的碎片粒子群，減小艙壁單位面積所受撞擊動(dòng)能，從而減輕高速粒子對(duì)航天器的撞擊破壞[3-5]。與相同材料的板狀防護(hù)屏相比，金屬網(wǎng)防護(hù)屏面密度更低，相同防護(hù)能力下可顯著減輕防護(hù)屏質(zhì)量[6-7]。對(duì)金屬網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊損傷特性研究有：Horz等[8]研究高速粒子撞擊鋁網(wǎng)多沖擊防護(hù)屏損傷形態(tài)，并分析將鋁網(wǎng)作為防護(hù)屏填充介質(zhì)的可行性；Higashide等[9]研究金屬網(wǎng)對(duì)聚碳酸酯彈丸高速撞擊破碎響應(yīng)，并分析粒子初始撞擊速度對(duì)次生碎片云質(zhì)心速度影響；Myagkov等[10]建立高速粒子撞擊金屬網(wǎng)防護(hù)屏彈塑性模型，并分析彈丸與網(wǎng)絲相互作用。而對(duì)撞擊粒子尺寸與金屬網(wǎng)幾何編織尺寸及粒子撞擊金屬網(wǎng)位置對(duì)撞擊破碎特性影響研究較少。本文利用二級(jí)輕氣炮發(fā)射2017-T4鋁球彈丸，對(duì)不同幾何編織尺寸的金屬網(wǎng)進(jìn)行高速撞擊實(shí)驗(yàn)，獲取金屬網(wǎng)后面觀察板彈坑分布模式，研究高速撞擊下金屬網(wǎng)對(duì)鋁球的破碎效應(yīng)及次生碎片粒子群分布特性，分析觀察板彈坑分布與鋁球直徑、金屬網(wǎng)面密度關(guān)系。

1 高速撞擊實(shí)驗(yàn)

選1種不銹鋼網(wǎng)、5種5052鋁合金網(wǎng)進(jìn)行高速撞擊實(shí)驗(yàn)。金屬網(wǎng)參數(shù)見表1，其中n為金屬網(wǎng)目數(shù)，即25.4 mm長(zhǎng)度中網(wǎng)格數(shù)；dm為網(wǎng)絲直徑；ρa(bǔ)為金屬網(wǎng)面密度。在金屬網(wǎng)后100 mm處放置厚度3 mm的5A06鋁合金板為觀察板，見圖1。金屬網(wǎng)及觀察板的撞擊面均為正方形，邊長(zhǎng)分別為120 mm，200 mm。通過分析觀察板損傷及彈坑分布特性研究金屬網(wǎng)對(duì)高速撞擊鋁球的破碎效應(yīng)及鋁球破碎后次生碎片粒子分布特性。

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 金屬網(wǎng)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用二級(jí)輕氣炮加速鋁球彈丸，輕氣炮一級(jí)驅(qū)動(dòng)氣體為氮?dú)?，充氣壓?～12 MPa，二級(jí)驅(qū)動(dòng)氣體為氫氣，充氣壓力0.1 MPa，彈丸發(fā)射采用分體式彈托氣動(dòng)分離技術(shù)。撞擊彈丸為2 017鋁球，直徑為2 mm、2.38 mm、3.18 mm、3.97 mm、6.35 mm，彈丸撞擊速度2.76～4.24 km/s，撞擊角 0°，速度測(cè)量用磁感應(yīng)方法，測(cè)量精度高于2%，靶艙內(nèi)壓力小于200 Pa，環(huán)境溫度為室溫。鋁球彈丸高速撞擊金屬網(wǎng)發(fā)生非均勻破碎，同時(shí)，撞擊處的金屬絲斷裂。彈丸碎片與金屬網(wǎng)破片撞擊觀察板使其出現(xiàn)成坑、穿孔、鼓包、剝落等損傷形式。觀察板典型破壞表現(xiàn)為：撞擊中心出現(xiàn)較大穿孔，中心穿孔周圍小穿孔或小彈坑呈觸須狀分布。觸須狀小彈坑簇中坑徑較大靠近中心穿孔。與觀察板撞擊面較大彈坑對(duì)應(yīng)，觀察板背面出現(xiàn)不同高度小鼓包，部分觀察板撞擊面損傷結(jié)果見圖2、圖3。彈丸撞擊、觀察板損傷參數(shù)見表2，其中dp，v，M，Dw，N，L1，L2，D1，D2，D99分別為彈丸直徑、撞擊速度、彈丸撞擊金屬網(wǎng)影響的網(wǎng)孔數(shù)、觀察板等效面積穿孔直徑、觸須狀彈坑簇?cái)?shù)量、單觸須彈坑簇最大長(zhǎng)度、對(duì)稱觸須彈坑簇最大長(zhǎng)度、觀察板坑徑大于1 mm的彈坑分布范圍直徑、觀察板坑徑大于2 mm的彈坑分布范圍直徑、觀察板彈坑最大分布范圍直徑。觀察板等效面積穿孔直徑由觀察板所有不規(guī)則穿孔面積之和等效得出。表2中S，A分別表示不銹鋼網(wǎng)、鋁網(wǎng)，字母后數(shù)字表示實(shí)驗(yàn)次序，“-”后數(shù)字與表1中材料序號(hào)對(duì)應(yīng)。

圖2 不銹鋼網(wǎng)后觀察板穿孔及彈坑分布

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 分析及討論

鋁球彈丸高速撞擊防護(hù)屏造成的破碎效應(yīng)與撞擊速度、防護(hù)屏材料及結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。當(dāng)防護(hù)屏為板狀結(jié)構(gòu)時(shí)，鋁球擊穿防護(hù)屏后將產(chǎn)生近似橢球形膨脹擴(kuò)展的碎片云團(tuán)。隨撞擊速度增加鋁球破碎更均勻，碎片云團(tuán)中粒子尺寸更小。觀察板破壞形式由中心撞擊坑或穿孔變?yōu)榉菗舸┑木植亢蟊砻娌牧瞎陌?、剝落，直至觀察板整體塑性后凸、撕裂。正撞擊時(shí)在觀察板上形成近似圓形分布的小彈坑群，且撞擊速度越高、彈坑越小、分布越均勻。與板狀防護(hù)屏不同，金屬網(wǎng)防護(hù)屏為非密實(shí)各向異性結(jié)構(gòu)，鋁球與金屬網(wǎng)撞擊作用存在非均勻性，金屬絲局部沖擊切割作用使撞擊粒子破碎，在金屬網(wǎng)后形成噴射狀碎片粒子簇，其形狀及分布隨球形彈丸撞擊金屬網(wǎng)位置不同而不同。此時(shí)觀察板嚴(yán)重破壞點(diǎn)不再局限于撞擊中心，出現(xiàn)分散的穿孔失效點(diǎn)(圖2)。觀察板上出現(xiàn)的多條觸須狀彈坑簇?cái)?shù)量與球形彈丸撞擊金屬網(wǎng)位置有關(guān)。球形彈丸撞擊金屬網(wǎng)典型位置為網(wǎng)格孔中心點(diǎn)(to blank)、 網(wǎng)絲交叉點(diǎn)(to cross)、單網(wǎng)格絲線中點(diǎn)(to line)，見圖4。球形彈丸撞擊金屬網(wǎng)不同位置產(chǎn)生的噴射狀碎片粒子簇撞擊觀察板形成的觸須狀彈坑簇分布見圖5。

圖4 金屬網(wǎng)典型撞擊位置

圖5 觀察板典型彈坑分布

金屬網(wǎng)對(duì)高速撞擊粒子的破碎效應(yīng)可通過觀察板損傷及彈坑分布特性進(jìn)行分析。鋁球彈丸高速撞擊不銹鋼網(wǎng)后觀察板撞擊中心穿孔直徑及彈坑分布特征參數(shù)隨鋁球直徑變化規(guī)律見圖6。此時(shí)撞擊速度在3.82～4.13 km/s之間。本文擬合圖6曲線時(shí)所用參數(shù)除彈丸直徑2.38 mm 時(shí)1次實(shí)驗(yàn)獲得外，其余彈丸直徑均為兩次或多次同種直徑彈丸撞擊不銹鋼網(wǎng)獲所得參數(shù)平均值。對(duì)本文所選不銹鋼網(wǎng)防護(hù)屏在該撞擊速度下，觀察板等效面積穿孔直徑隨鋁球直徑增大近似呈正比增加。次生碎片粒子在觀察板的最大撞擊影響范圍、較大彈坑分布范圍及觸須狀彈坑簇長(zhǎng)度均隨鋁球彈丸直徑的增加而增大, 但增加幅度逐漸減慢。說明彈丸直徑增大其撞擊動(dòng)能更大，對(duì)金屬網(wǎng)、觀察板更具破壞力，產(chǎn)生更多尺寸較大次生碎片。原因?yàn)樵诮饘倬W(wǎng)絲徑及編織尺寸不變情況下，鋁球彈丸直徑增大，會(huì)有更多金屬絲與彈丸發(fā)生沖擊作用。由于彈丸體積增大，網(wǎng)絲間距不變，因而撞擊后次生碎片云中大尺寸粒子數(shù)量增多，對(duì)觀察板影響范圍更大；但隨鋁球彈丸直徑的增大金屬網(wǎng)絲對(duì)彈丸的破碎能力減弱，迫使因撞擊粒子尺寸增大造成觀察板彈坑分布范圍擴(kuò)大的影響逐漸減小。

圖6 鋁球直徑與觀察板撞擊損傷關(guān)系

金屬網(wǎng)幾何編織參數(shù)主要包括絲徑、絲間距及目數(shù)。在材料相同的情況下，面密度可作為評(píng)價(jià)金屬網(wǎng)破碎高速撞擊粒子能力的依據(jù)。圖7給出了不同直徑的鋁球高速撞擊5052鋁網(wǎng)后觀察板上彈坑分布特征參數(shù)隨鋁網(wǎng)面密度的變化規(guī)律，擬合該曲線的5052鋁網(wǎng)面密度分別為0.016 g/cm2、0.02 g/cm2、0.032 g/cm2和0.039 g/cm2。此時(shí)，鋁球直徑分別為2.38 mm、3.18 mm和3.97 mm，撞擊速度在3.78～4.24 km/s之間。可以看出，在該撞擊速度下，隨著鋁網(wǎng)面密度的增加，觀察板上次生碎片撞擊所形成的較大彈坑分布范圍和觸須狀彈坑簇長(zhǎng)度近似呈正比增加，且觀察板上次生碎片的最大影響范圍擴(kuò)大。這說明，金屬網(wǎng)面密度是影響高速撞擊粒子破碎的主要因素，金屬網(wǎng)面密度的增加使撞擊后次生碎片云中包含了除中心大粒子外的更多相對(duì)較大尺寸的粒子，這部分相對(duì)較大尺寸的粒子主要來源于破碎能力增強(qiáng)的金屬網(wǎng)對(duì)鋁球的進(jìn)一步破碎分解以及由于金屬網(wǎng)自身尺寸增加后斷裂破碎所產(chǎn)生的金屬網(wǎng)破片。

金屬網(wǎng)材料不變，增大網(wǎng)絲直徑或增加絲網(wǎng)目數(shù)可提高金屬網(wǎng)面密度。網(wǎng)絲直徑增大，可使金屬網(wǎng)單絲抗沖擊能力增強(qiáng)；目數(shù)增加，在撞擊過程中將會(huì)有更多金屬絲與鋁球發(fā)生作用。其結(jié)果將導(dǎo)致撞擊粒子被金屬網(wǎng)破碎程度增大，次生碎片粒子增多。由于作用強(qiáng)度增大，次生碎片獲得更大橫向擴(kuò)展速度，因而擴(kuò)大觀察板的撞擊影響范圍。

鋁球高速撞擊金屬網(wǎng)防護(hù)屏將產(chǎn)生非均勻擴(kuò)展噴射的觸須狀碎片粒子簇，其分布存在對(duì)稱性，觸須狀碎片粒子簇?cái)?shù)量及分布與鋁球直徑、金屬網(wǎng)目數(shù)、鋁球撞擊金屬網(wǎng)位置有關(guān)，碎片粒子簇撞擊觀察板形成觸須狀彈坑簇。本文所用不銹鋼網(wǎng)及鋁網(wǎng)實(shí)驗(yàn)后觀察板上觸須狀彈坑簇?cái)?shù)量隨彈丸撞擊金屬網(wǎng)影響的網(wǎng)孔數(shù)變化見圖8(a)，此時(shí)撞擊速度為3.62～4.24 km/s；本文所用不銹鋼網(wǎng)實(shí)驗(yàn)后觀察板上觸須狀彈坑簇?cái)?shù)量隨鋁球直徑變化見圖8(b)，此時(shí)撞擊速度為3.82～4.13 km/s。由圖8高速粒子與金屬網(wǎng)撞擊的三種典型位置看出，觀察板觸須狀彈坑簇?cái)?shù)量均隨鋁球直徑及彈丸撞擊金屬網(wǎng)影響網(wǎng)孔數(shù)的增加呈增加趨勢(shì)。但對(duì)相同鋁球直徑或相同彈丸撞擊金屬網(wǎng)影響的網(wǎng)孔數(shù)，鋁球高速撞擊網(wǎng)格孔中心點(diǎn)時(shí)，觀察板的觸須狀彈坑簇?cái)?shù)量最多；鋁球高速撞擊單網(wǎng)格絲線中點(diǎn)時(shí)觀察板的觸須狀彈坑簇?cái)?shù)量最少。說明增加鋁球彈丸與金屬網(wǎng)撞擊作用接觸面積可增加次生碎片云中粒子數(shù)量，使次生碎片云中粒子分布及擴(kuò)散區(qū)域更均勻，接近鋁球高速撞擊均勻板狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次生碎片云擴(kuò)展形態(tài)。金屬網(wǎng)參數(shù)不變時(shí)增加鋁球彈丸直徑或鋁球直徑不變時(shí)增加彈丸撞擊金屬網(wǎng)影響的網(wǎng)孔數(shù)，均可增加鋁球與金屬網(wǎng)撞擊接觸面積，使鋁球所受沖擊作用更均勻。

圖7 鋁網(wǎng)面密度與觀察板撞擊損傷關(guān)系

3 結(jié) 論

(1) 鋁球彈丸高速正撞擊金屬網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生放射擴(kuò)散的觸須狀次生碎片簇，其數(shù)量隨鋁球與金屬網(wǎng)撞擊接觸面積的增加呈逐漸增多、分布均勻趨勢(shì)。

(2) 相同撞擊速度下鋁球直徑增大會(huì)導(dǎo)致金屬網(wǎng)后觀察板的等效面積穿孔直徑、相對(duì)較大彈坑影響范圍及觸須狀彈坑簇長(zhǎng)度增加。

(3) 鋁球彈丸高速正撞擊金屬網(wǎng)位置不同會(huì)影響觸須狀次生碎片簇分布及數(shù)量。鋁球彈丸高速正撞擊網(wǎng)格孔中心時(shí)觀察板上觸須狀彈坑簇?cái)?shù)量較多。

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