空間碎片柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊試驗研究

苗常青，杜明俊，黃 磊，祖振南

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國防科技重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001）

空間碎片柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊試驗研究

苗常青，杜明俊，黃 磊，祖振南

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國防科技重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001）

針對由多層柔性復(fù)合材料制成的柔性防護(hù)屏構(gòu)成的空間碎片柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果問題，進(jìn)行了超高速撞擊試驗和撞擊損傷測試分析，得到了芳綸纖維布、芳綸環(huán)氧復(fù)合材料及鋁合金多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)的空間碎片防護(hù)性能，結(jié)果表明：柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)具有較高的折疊效率（展開折疊比≥8），能有效減小防護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)射體積；柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)展開后，可顯著增加防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)屏數(shù)和屏間距，能顯著提高其防護(hù)性能；在碎片撞擊速度3.5 km／s時，柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)可以達(dá)到與相同面密度鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)姆雷o(hù)能力。該柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)可為空間艙站、衛(wèi)星等航天器碎片防護(hù)提供一條有效的解決途徑。

柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)；柔性復(fù)合材料；空間碎片；超高速撞擊

1 引言

空間碎片對航天器的危害日益嚴(yán)重，須利用防護(hù)結(jié)構(gòu)提高大型航天器——特別是載人航天器的空間碎片撞擊防護(hù)能力，目前空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)主要有單屏、雙屏、多屏等非展開式或機(jī)械展開式剛性結(jié)構(gòu)［1?3］。柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)由多屏柔性防護(hù)屏構(gòu)成，每屏柔性防護(hù)屏由多層柔性復(fù)合材料制成，以充氣展開支撐管作為展開和支撐結(jié)構(gòu)單元，發(fā)射前折疊包裝，入軌后充氣展開并固化成形為多屏增強(qiáng)型空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)，可利用較小發(fā)射體積發(fā)射更大面積的或具有更多屏的碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)，從而大大提高防護(hù)結(jié)構(gòu)的碎片撞擊防護(hù)效率，增大防護(hù)區(qū)域［4?6］。與傳統(tǒng)的不可折疊的剛性防護(hù)結(jié)構(gòu)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、折疊體積小、重量輕等優(yōu)點。

目前空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)是基于Whipple結(jié)構(gòu)防護(hù)原理［7］提出的，在此基礎(chǔ)上，后來 BG Cour?Palais和JL Crews等又提出了多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)的概念［8］。在柔性復(fù)合材料超高速撞擊防護(hù)方面，Cour?Palais、Theall和Dahl研究了多層Nextel陶瓷纖維的超高速撞擊［9］，Christiansen等對使用陶瓷纖維布、芳綸纖維布組成的柔性多屏結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗研究［10］，但針對柔性多屏纖維布防護(hù)結(jié)構(gòu)的超高速撞擊研究的比較少。

與傳統(tǒng)金屬防護(hù)結(jié)構(gòu)不同，柔性防護(hù)屏由多層柔性復(fù)合材料制成，具有顯著的非線性、大變形特征，其與空間碎片的超高速撞擊力學(xué)行為與傳統(tǒng)金屬防護(hù)結(jié)構(gòu)有顯著不同。本文利用彈丸超高速撞擊試驗，對柔性復(fù)合材料多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)空間碎片防護(hù)性能進(jìn)行研究，并對柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)與鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)空間碎片防護(hù)性能進(jìn)行對比分析。

2 試驗方案

本試驗根據(jù)多屏柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)方案［6］，設(shè)計并制備了柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)試件（圖1）。為對柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行對比研究，選取了傳統(tǒng)常用的鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)作為對比。柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)和鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)試件均設(shè)置為5屏防護(hù)屏，各屏間為等間距，屏間距為50 mm。其中，鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)試件每屏厚度為1 mm，試件尺寸200×200（mm），材料為2A12鋁合金，面密度為2780 g／m2。以鋁合金防護(hù)屏面密度為基準(zhǔn)，制備了芳綸纖維布和芳綸／環(huán)氧防護(hù)結(jié)構(gòu)試件。其中，每屏芳綸纖維布防護(hù)屏由7層芳綸纖維布制成，厚度為3.5 mm。每屏芳綸／環(huán)氧防護(hù)屏厚度為2.36 mm。每屏芳綸纖維布防護(hù)屏和芳綸／環(huán)氧防護(hù)屏面密度均為2780 g／m2。各防護(hù)結(jié)構(gòu)試件固定于試件支架上，將試件支架固定于二級輕氣炮靶艙內(nèi)部。多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

柔性多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)可折疊包裝，因此其發(fā)射體積顯著減小。對于本文研究的防護(hù)屏數(shù)為5、屏間距為50 mm的芳綸纖維布多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)，其展開后的尺寸為200×200×217.5（mm），其折疊后的尺寸為200×200×17.5（mm），其折疊效率為12。同樣，可得到芳綸環(huán)氧多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)的折疊效率為17。這說明，與鋁合金多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)相比，柔性多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)具有很高的折疊效率，顯著減小了其發(fā)射體積。其中，芳綸纖維布多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)射體積不大于鋁合金多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)體積的1／12。

對柔性多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)及鋁合金多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈丸超高速撞擊試驗的二級輕氣炮包括發(fā)射系統(tǒng)、測速系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)以及靶艙／真空系統(tǒng)等四個部分。其實物和結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。本試驗中，彈丸撞擊速度為3.5±0.1 km／s，撞擊角為0°，靶艙內(nèi)壓力小于200 Pa，環(huán)境溫度為室溫。球形彈丸直徑3.97 mm，材料是2017鋁合金。

3 多層防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊結(jié)果與討論

分別對芳綸纖維布、芳綸環(huán)氧和鋁合金多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行超高速撞擊試驗，通過測量彈孔、彈坑、鼓包的直徑、數(shù)量、散布區(qū)域，分析比較防護(hù)結(jié)構(gòu)各屏的撞擊損傷及防護(hù)性能。

3.1鋁合金多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊試驗

圖4顯示了鋁合金多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)試件各屏撞擊試驗后的損傷情況。

從試驗結(jié)果看出，彈丸擊穿前三屏，第四屏防護(hù)屏出現(xiàn)輕微損傷。第一屏的彈孔直徑6.38 mm，彈孔周邊有輕微翻邊現(xiàn)象，這是由于彈丸穿過第一屏?xí)r速度較快，彈丸直接造成防護(hù)屏洞穿，其穿孔區(qū)域邊緣出現(xiàn)了剪切破壞，而其周圍區(qū)域未出現(xiàn)較大變形；第二屏彈孔直徑12.14 mm，并在周邊分布六個中等直徑彈孔和10個小直徑彈孔，在直徑9 cm的區(qū)域內(nèi)，穿孔周圍的鋁合金已經(jīng)向背面外翻，背面約有50個大小鼓包，這是由于當(dāng)彈丸通過第一屏速度降低后撞擊到第二屏鋁合金表面時，由于撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力不足以短時間內(nèi)破壞材料應(yīng)力集中區(qū)域，隨著應(yīng)力的傳遞產(chǎn)生塑性變形，鋁合金板在穿孔周圍出現(xiàn)外翻；第三屏有四個穿孔，其中兩個穿孔相連，最大彈孔直徑3.68 mm，彈坑散布在直徑7 cm的區(qū)域內(nèi)，損傷區(qū)域小于第二屏，彈孔翻邊較小，并且在表面附著一屏粉末狀材料，背面有35個大小鼓包。從第三屏表面附著的碎片可以推斷，從第二屏穿過來的碎片已經(jīng)無法形成新的碎片云，碎片速度已大大下降；第四屏表面有兩個小彈坑及多個微小彈坑，損傷輕微，這說明穿過第三屏的微小碎片速度已降低很多，并且他們本身質(zhì)量較輕，無法穿透第四屏鋁合金板；第五屏未受損，可以得出碎片僅在第四屏鋁合金板上就已經(jīng)完全防護(hù)住了。

3.2芳綸纖維布多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊試驗

芳綸纖維布撞擊試驗使用五屏芳綸纖維布材料，每屏厚度均為3.88 mm，屏間距為50 mm。各屏損傷如圖5。

可以看出，彈丸擊穿了前三屏，第四屏防護(hù)屏損傷區(qū)域較小。第一屏彈孔區(qū)域直徑7.52 mm；第二屏彈孔區(qū)域直徑15.5 mm，損傷散布區(qū)域直徑10 cm，正面受損面積大，說明第一次撞擊后形成大量碎片云；第三屏，彈孔區(qū)域直徑11 mm，損傷散布區(qū)域直徑6.5 cm，受損面積小于第二屏，說明第二次撞擊形成的碎片云減少；第四屏損傷散布區(qū)域直徑2.1 cm，未被擊穿，向后大幅凹陷，說明彈丸速度降低，與防護(hù)屏撞擊作用時間長，引起纖維布受拉應(yīng)力作用，形成向后凹陷現(xiàn)象；第五屏未受損。芳綸纖維布表面有顏色變化，說明撞擊過程存在高溫。

本次試驗中，由于彈丸碎片撞擊的動量較大，第二屏和第三屏除了中心區(qū)域損傷面積較大外，由于撞擊時較大的沖擊力使整個纖維布也出現(xiàn)了變形，在沖擊作用下和固定夾具的約束下形成了向后鼓起的碗狀，且看出第二屏的鼓起幅度明顯要大于第三防護(hù)屏，可知第二防護(hù)屏承受的沖擊力大于第三防護(hù)屏。

從本次試驗可以看出，前四屏芳綸纖維布已經(jīng)防護(hù)住了彈丸的撞擊，并且前四屏損傷可以看出第二屏正面損傷面積最大，后面各屏正面損傷面積逐漸減小。

3.3芳綸／環(huán)氧多屏防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊試驗

芳綸／環(huán)氧試驗使用五屏芳綸／環(huán)氧復(fù)合材料，每屏厚度均為2.36 mm，屏間距為50 mm。各屏損傷如圖6。

試驗結(jié)果表明彈丸擊穿了前四屏。第一屏彈孔直徑7.7 mm，彈孔周邊正面翻邊大于背面，芳綸／環(huán)氧防護(hù)屏第一屏與鋁合金防護(hù)屏第一屏相比，芳綸／環(huán)氧防護(hù)屏損傷面積更大，并且穿孔邊緣并不平整；第二屏彈孔直徑9.12 mm，彈坑散布區(qū)域直徑6.3 cm，彈孔前翻邊大于后翻邊，第二屏上彈孔散布區(qū)為彈丸撞擊第一防護(hù)屏后產(chǎn)生的芳綸／環(huán)氧復(fù)合材料的碎片撞擊到第二防護(hù)屏表面，可以看出彈丸主體未出現(xiàn)破碎，僅有一小部分邊緣破碎；第三屏彈孔直徑7.04 mm，彈坑散布區(qū)域直徑6.2 mm，彈孔后翻邊幅度大，第三屏正面還是出現(xiàn)了較大區(qū)域的損傷，可以由此判斷彈丸穿過第一防護(hù)屏和第二防護(hù)屏后還具有較高的速度；第四屏的彈孔直徑1.64 mm，直徑較小，擊斷的纖維絲堵住彈孔，未形成通透彈孔，彈坑散布區(qū)域直徑3.2 cm，有少量彈坑，損傷區(qū)域小于第三屏，彈丸沒有穿透第四屏；第五屏未受損，判斷彈丸碎片穿過第四防護(hù)屏后速度已經(jīng)足夠低而不能形成損傷坑?？梢缘贸?，五屏芳綸／環(huán)氧復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能防住鋁合金彈丸的超高速撞擊。

4 結(jié)論

1）柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)具有較高的折疊效率（展開折疊比≥8），能有效減小防護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)射體積。

2）在空間碎片彈丸速度3.5 km／s時，芳綸纖維布和芳綸環(huán)氧柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)與相同面密度鋁合金剛性防護(hù)結(jié)構(gòu)有相當(dāng)?shù)姆雷o(hù)性能，但其折疊后的發(fā)射體積遠(yuǎn)小于鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)射體積。

結(jié)果表明，本文所研究的柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)能顯著減小防護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)射體積和提高其空間碎片防護(hù)性能，可為空間艙、衛(wèi)星等航天器碎片防護(hù)提供一條有效的解決途徑。

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（責(zé)任編輯：龍晉偉）

Experimental Research on Hypervelocity Impact Characteristics of Flexible Anti?debris Multi?shields Structure

MIAO Changqing，DU Mingjun，HUANG Lei，ZU Zhennan

（National Key Laboratory for Composites in Special Environments，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

In this paper，experimental research was carried out on the hypervelocity impact charac?teristics of flexible anti?debris multi?shield structure made of multi?layer flexible composite materi?als.The protection performances of the aramid fiber fabric，the aramid／epoxy composites，and the aluminum alloy of the structure were studied.The results showed that the flexible anti?debris multi?shield structure could be folded with high folding efficiency（Folding efficiency≥8）which could re?duce the launch volume effectively.Furthermore，the number of the shields could be increased and the space between the shields could be expanded after the deployment of the flexible structure，thus the protection performance of the flexible anti?debris multi?shield structure was significantly im?proved.The flexible anti?debris multi?shields structure presented the same protection capability as the aluminum alloy multi?shields structure at the 3.5 km／s impact speed.The flexible anti?debris multi?shields structure studied in this paper could provide an effective solution for the debris defense of the space?station or other spacecraft.

flexible anti?debrismulti?shieldsstructure；flexible composite material；space debris；hy?per velocity impact

V423

：A

：1674?5825（2017）02?0173?04

2016?05?19；

2017?03?01

苗常青，男，博士，副教授，研究方向為柔性復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與評價。Email：miaocq2005＠163.com