Al/Mg 波阻抗梯度材料加強(qiáng)型Whipple 結(jié)構(gòu)超高速撞擊特性研究*

張品亮，宋光明，龔自正，田東波，武 強(qiáng)，曹 燕，李 宇，李 明

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094）

Whipple 防護(hù)結(jié)構(gòu)能夠顯著提升航天器抵御空間碎片超高速撞擊的能力[1]。目前，國(guó)際上已經(jīng)基于Whipple 結(jié)構(gòu)提出了多種構(gòu)型的防護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)提升航天器的空間碎片防護(hù)能力[2-4]。防護(hù)結(jié)構(gòu)的原理是在艙壁外一定距離處放置防護(hù)屏來(lái)破碎入射物體，通過(guò)防護(hù)屏與艙壁之間的間距使碎片充分?jǐn)U散，將點(diǎn)撞擊轉(zhuǎn)化為面撞擊從而降低對(duì)艙壁的損傷。因此，防護(hù)屏決定著彈丸的初始破碎過(guò)程，是決定防護(hù)結(jié)構(gòu)性能的主要因素[5]。

波阻抗梯度材料加強(qiáng)型Whipple 結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能在以往的研究中已被證明[6-9]，其采用阻抗梯度材料替換均質(zhì)鋁合金防護(hù)屏。Huang 等[6]和侯明強(qiáng)等[8]分別研究了Fe77Si14B9/LY12 和Ti6Al4V/LY12/PA66 梯度材料加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的超高速撞擊特性，驗(yàn)證了其優(yōu)異的防護(hù)性能，發(fā)現(xiàn)防護(hù)屏表面的高阻抗涂層能夠在彈丸中產(chǎn)生更高的沖擊壓力和溫升，使彈丸破碎程度提高。此外，波的傳播和沖擊波反射行為在阻抗梯度屏與單層屏中表現(xiàn)不同，阻抗梯度屏中的沖擊波通過(guò)多次反射和透射而具有更高的能量耗散率[10]。雖然目前針對(duì)阻抗梯度材料已經(jīng)開展了少量超高速撞擊實(shí)驗(yàn)研究，但是對(duì)阻抗梯度材料超高速撞擊特性和防護(hù)機(jī)理并未形成規(guī)律性認(rèn)識(shí)。Zhang 等[9]對(duì)防護(hù)屏面密度等效于1.0 mm 厚鋁合金的Al/Mg 防護(hù)結(jié)構(gòu)在3.5 和6.5 km/s 沖擊速度下的超高撞擊特性進(jìn)行了研究，但并未開展5.0 km/s 沖擊速度下的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)及多種面密度Al/Mg 防護(hù)屏的超高速撞擊特性研究。

本文中提出了一種由鋁合金表層和鎂合金基底組成的新型Al/Mg 阻抗梯度防護(hù)屏。不同于以往的波阻抗梯度防護(hù)屏，其面密度與1.5 mm 厚的鋁合金相同，具有與鋁合金防護(hù)屏相同的沖擊耦合過(guò)程。采用文獻(xiàn)[9]中的研究方法，通過(guò)初步超高速撞擊對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)，研究了新型Al/Mg 防護(hù)結(jié)構(gòu)在5.0 km/s 沖擊速度下的超高速撞擊特性，結(jié)合理論分析研究了影響其防護(hù)性能的主要因素。

1 實(shí)驗(yàn)方法

Al/Mg 防護(hù)屏由0.8 mm 厚的2A12 鋁合金和1.1 mm 厚的AZ31B 鎂合金組成，通過(guò)擴(kuò)散焊方式制備[11]。采用二級(jí)輕氣炮在5.0 km/s 沖擊速度下開展了Al/Mg 防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，彈丸材質(zhì)為2A12 鋁合金。還開展了鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，防護(hù)屏為1.5 mm 厚的2A12 鋁合金。在所有實(shí)驗(yàn)中，后墻均為2.5 mm 厚的5A06 鋁合金，防護(hù)屏與后墻的間距為100 mm，防護(hù)屏的面密度為0.419 g/cm2。圖1(a)為超高速撞擊實(shí)驗(yàn)原理圖。實(shí)驗(yàn)中采用序列激光陰影照相技術(shù)記錄碎片云的產(chǎn)生過(guò)程。失效準(zhǔn)則定義為后墻后表面有材料剝落或清晰的穿孔，臨界狀態(tài)為后墻出現(xiàn)層裂鼓包并伴隨著單一的非穿透裂紋。表1 給出了實(shí)驗(yàn)參數(shù)，其中D和v0分別為彈丸直徑和初始速度，d為防護(hù)屏的厚度。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理示意圖及防護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)物圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental principle and photo of a Whipple shield

表1 超高速撞擊實(shí)驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果Table 1 Hypervelocity impact test conditions and results

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 防護(hù)屏損傷特征

圖2(a)和圖2(b)分別為鋁合金和Al/Mg 防護(hù)屏的穿孔形貌。可以看出，穿孔均為圓形，邊緣出現(xiàn)花瓣?duì)罘?。與鋁合金防護(hù)屏相比，Al/Mg 防護(hù)屏上翻邊更明顯，邊緣高度更大。Al/Mg 防護(hù)屏的穿孔直徑為13.5 mm，大于鋁合金防護(hù)屏的穿孔直徑12.2 mm。此外，Al/Mg 防護(hù)屏受撞擊后出現(xiàn)鋁合金與鎂合金層剝離現(xiàn)象。

圖2 防護(hù)屏受撞擊后形成的穿孔形貌Fig.2 Perforation morphologies of shield bumpers subjected to impact

2.2 碎片云特征

通常，碎片云由反噴、擴(kuò)散和主體結(jié)構(gòu)3 部分組成。主體結(jié)構(gòu)可分為前端、中心和后部3 個(gè)區(qū)域[12]。圖3(a)為直徑為5.25 mm 的鋁彈丸以4.893 km/s 的速度撞擊鋁合金防護(hù)屏所產(chǎn)生的碎片云形貌，可以看出彈丸撞擊鋁合金防護(hù)屏后，碎片云結(jié)構(gòu)清晰分明，質(zhì)量主要集中在碎片云前端。圖3(b) 為直徑為5.25 mm 的鋁彈丸以4.826 km/s 的速度撞擊Al/Mg 防護(hù)屏所產(chǎn)生的碎片云形貌，碎片云主體結(jié)構(gòu)邊界無(wú)法分辨，未出現(xiàn)彈丸撞擊速度為6.5 km/s 時(shí)明顯的前端外泡現(xiàn)象[9]，從探測(cè)光透過(guò)率可以看出，其碎片云的質(zhì)量分布更均勻。此外，Al/Mg 防護(hù)屏較鋁合金防護(hù)屏所產(chǎn)生碎片云的顆粒度更細(xì)化。

根據(jù)碎片云激光陰影序列圖像可計(jì)算得到碎片云的軸向速度va(頭部速度)和徑向速度vb(擴(kuò)散速度)。鋁合金和Al/Mg 防護(hù)屏所產(chǎn)生碎片云軸向速度分別為5.603 和5.558 km/s，徑向速度分別為2.486 和2.696 km/s。可見(jiàn)，Al/Mg 碎片云的頭部速度低于鋁合金碎片云的頭部速度，而其徑向速度高于鋁合金碎片云的徑向速度。Al/Mg 碎片云的擴(kuò)散半角為25.9°，大于鋁合金碎片云的擴(kuò)散半角23.9°。

圖3 彈丸撞擊防護(hù)屏所產(chǎn)生的碎片云形貌Fig.3 Morphologies of debris cloud induced by impact of projectiles on shield bumpers

2.3 后墻損傷特征

圖4(a)和圖4(b)為2 種防護(hù)結(jié)構(gòu)受5.0 km/s 鋁彈丸撞擊后的后墻前表面損傷形貌。通常，可以通過(guò)表面形貌判斷受撞擊后材料是否發(fā)生相變。后墻損傷區(qū)域可分為中心撞擊坑區(qū)、環(huán)形撞擊坑區(qū)和擴(kuò)散撞擊坑區(qū)3 個(gè)區(qū)域。在Test 1-1 中，彈丸撞擊鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)后，在后墻形成的3 個(gè)撞擊坑區(qū)域存在明顯邊界。在Test 1-2 中，彈丸撞擊Al/Mg 防護(hù)結(jié)構(gòu)后，未出現(xiàn)明顯的環(huán)形撞擊坑區(qū)域，后墻損傷區(qū)域由中心撞擊坑區(qū)和擴(kuò)散撞擊坑區(qū)組成，且存在明顯的邊界，未出現(xiàn)明顯的液化或氣化痕跡。這說(shuō)明在2 次實(shí)驗(yàn)中碎片云中的材料均未發(fā)生明顯相變[13]，撞擊坑主要由固態(tài)彈丸碎片和固態(tài)防護(hù)屏碎片撞擊而形成。但是，當(dāng)撞擊速度達(dá)到6.5 km/s 時(shí)，部分防護(hù)屏材料將液化或氣化[9]。

通過(guò)測(cè)量中心撞擊坑區(qū)域的直徑來(lái)獲得固態(tài)彈丸碎片的擴(kuò)散范圍，如圖4 中的圓形區(qū)域所示。結(jié)果表明：Test 1-2 中心撞擊坑區(qū)域直徑為51.3 mm，大于Test 1-1 的41.0 mm。這說(shuō)明在相同撞擊條件下Al/Mg 碎片云的擴(kuò)散區(qū)域大于鋁合金碎片云的擴(kuò)散區(qū)域。在擴(kuò)散區(qū)域中，2 種撞擊條件下撞擊坑的排列方式明顯不同：在鋁合金結(jié)構(gòu)中撞擊坑在中心撞擊區(qū)域周圍呈放射型排列，如圖4(a) 所示；而在Al/Mg 結(jié)構(gòu)中，撞擊坑在中心撞擊區(qū)域周圍呈無(wú)序排列，如圖4(b)所示。Al/Mg 結(jié)構(gòu)中的平均撞擊坑直徑小于鋁合金結(jié)構(gòu)的平均撞擊坑直徑。

Al/Mg 結(jié)構(gòu)和鋁合金結(jié)構(gòu)后墻后表面的損傷形貌如圖4(c)和圖4(d)所示。在Test 1-1 中，后墻軸線附近形成嚴(yán)重的塑性變形，伴隨有大量層裂裂紋，并且周圍存在多處穿孔和材料剝落，明顯為失效狀態(tài)，如圖4(c)所示。對(duì)于Test 1-2，與Test 1-1 相比其結(jié)構(gòu)后墻后表面的損傷程度明顯減輕，僅出現(xiàn)一個(gè)中心鼓包和環(huán)形鼓包區(qū)，在軸線上出現(xiàn)一個(gè)輕微的層裂裂紋，可定義為臨界狀態(tài)。這說(shuō)明在5.0 km/s 的撞擊速度下，Al/Mg 結(jié)構(gòu)與鋁合金結(jié)構(gòu)相比具有更優(yōu)異的防護(hù)性能。

圖4 2 種防護(hù)結(jié)構(gòu)受鋁彈丸以5.0 km/s 的速度撞擊后其后墻表面的損傷形貌Fig.4 Damage patterns on the rear wall surfaces of the two shield structures impacted by aluminum projectiles with the velocity of 5.0 km/s

3 分析與討論

與鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)相比，Al/Mg 防護(hù)結(jié)構(gòu)的超高速撞擊特性具有4 個(gè)主要特征：(1)中軸線附近的損傷較輕微。由于中心大碎片決定著后墻中軸線上的損傷程度，因此撞擊Al/Mg 防護(hù)屏所產(chǎn)生碎片云的中心大碎片尺寸更小。(2)碎片云擴(kuò)散半角大。(3)擴(kuò)散撞擊坑區(qū)域內(nèi)撞擊坑細(xì)化程度更高。(4)防護(hù)屏穿孔翻邊更明顯。

3.1 沖擊耦合過(guò)程

彈丸撞擊防護(hù)屏是一個(gè)沖擊耦合和沖擊波傳播的過(guò)程，沖擊波能量和沖擊波傳播過(guò)程決定著彈丸的破碎程度[14-15]。沖擊耦合過(guò)程不受靶材面密度(或厚度)的影響，主要由彈丸和靶材的波阻抗決定，波阻抗為材料密度和聲速的乘積。彈丸和防護(hù)屏接觸面的沖擊壓力pH可通過(guò)Hugoniot 關(guān)系得到[16]：

式中：下標(biāo)“1”代表彈丸， ρ0為密度，c0為零壓體積聲速， λ 為材料常數(shù)；up為波后粒子速度，可通過(guò)阻抗匹配方法計(jì)算得到。表2 給出了計(jì)算中所用的材料參數(shù)，γ0為零壓Grüneisen 參數(shù)。在本文中，鋁彈丸撞擊鋁合金和Al/Mg 防護(hù)屏均為鋁-鋁碰撞事件，具有相同的沖擊耦合過(guò)程。在鋁彈丸以5.0 km/s 的速度撞擊時(shí)，沖擊波峰值壓力為59.8 GPa，沖擊壓力低于鋁的沖擊熔化壓力pm，因此，實(shí)驗(yàn)中后墻撞擊坑主要由固態(tài)碎片撞擊而形成。

表2 材料沖擊耦合主要參數(shù)[17-19]Table 2 Key parameters of materials for shock coupling[17-19]

沖擊波能量產(chǎn)生過(guò)程和大小可通過(guò)球體撞擊平板沖擊耦合模型獲得[20]。假設(shè)接觸區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)長(zhǎng)軸為ac和短軸為bc的橢圓形區(qū)域，沖擊波能量可通過(guò)下式得到[15]：

式中：us1為彈丸中的沖擊波速度，tc為接觸區(qū)域擴(kuò)散至最大半徑的時(shí)間，tr為稀疏波到達(dá)中軸線的時(shí)間。

在Test 1-1 和Test 1-2 中，沖擊波能量Ec=38.9 J，長(zhǎng)軸ac=1.3 mm，軸向沖擊波脈沖的厚度bc=0.31 mm。研究表明約有10%的沖擊波能量轉(zhuǎn)化為彈丸的熱能[15]，因此在本文實(shí)驗(yàn)條件下，彈丸中約有3.9 J 的沖擊波能量轉(zhuǎn)化為彈丸熱能。根據(jù)熱力學(xué)定律計(jì)算得到：將直徑為5.25 mm 的鋁彈丸完全熔化需要111.5 J 的能量。因此，在5.0 km/s 的撞擊條件下，沖擊波轉(zhuǎn)化的熱能僅為彈丸完全熔化所需能量的3.5%，不足以使鋁彈丸熔化。

3.2 波傳播特性

沖擊波在阻抗梯度材料靶中的傳播過(guò)程受阻抗匹配的影響，這與沖擊波在均勻單層靶中的傳播過(guò)程不同。初始彈丸撞擊Al/Mg 防護(hù)屏后，將同時(shí)產(chǎn)生2 個(gè)反向傳播的沖擊波S1 和S2。卸載波R1 向中軸線傳播，對(duì)沖擊加載后區(qū)域進(jìn)行卸載。當(dāng)沖擊波由高阻抗面?zhèn)鞑ブ恋妥杩姑鏁r(shí)，將在界面處同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)透射沖擊波和反射稀疏波。因此，S2 到達(dá)鋁合金-鎂合金界面時(shí)將同時(shí)形成反射稀疏波R2 和透射沖擊波S2′。稀疏波R2 向彈丸中傳播并追趕S1。如果R2 不能追趕上S1，整個(gè)彈丸將被壓縮并形成溫升，然后沖擊波S1 到達(dá)彈丸自由面反射一個(gè)稀疏波R3。當(dāng)R2 與R3 相遇，將形成拉伸作用，如果拉伸應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度，將發(fā)生層裂或斷裂。當(dāng)透射波S2′到達(dá)Al/Mg 屏的自由面時(shí)，將再次向彈丸中反射一個(gè)稀疏波R4。當(dāng)R4 與R3 疊加，則再次出現(xiàn)層裂。層裂層為一個(gè)新的界面，稀疏波在層裂層和界面處來(lái)回反射使彈丸完成破碎。也就是說(shuō)，Al/Mg 結(jié)構(gòu)中形成的細(xì)化中心大碎片是由多次層裂現(xiàn)象造成的，這不同于單層鋁合金的單點(diǎn)層裂現(xiàn)象[9]。

通常，d/D決定了彈丸在固定撞擊速度下的初始破碎閾值。在本文實(shí)驗(yàn)中，鋁合金防護(hù)屏和Al/Mg 防護(hù)屏的d/D分別為0.286 和0.152(在Al/Mg 中，d為鋁合金層的厚度)，均大于在5.0 km/s 時(shí)的初始破碎閾值0.024[21]，這說(shuō)明防護(hù)屏中反射的稀疏波未對(duì)彈丸中的初始沖擊波產(chǎn)生影響。

實(shí)驗(yàn)中鋁合金和鎂合金層中的沖擊波速度可通過(guò)關(guān)系式us=c0+λup計(jì)算得到，分別為8.595 和8.288 km/s。沖擊波到達(dá)鋁合金防護(hù)屏和Al/Mg 防護(hù)屏自由面的時(shí)間分別為0.175 和0.226 μs。可以看出沖擊波在Al/Mg 屏中的傳播時(shí)間明顯長(zhǎng)于其在鋁合金屏中的傳播時(shí)間，這使得彈丸和防護(hù)屏中的沖擊波有充分的時(shí)間轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，并且由于延長(zhǎng)了稀疏波的作用時(shí)間，稀疏波的拉伸作用使碎片云的擴(kuò)散角更大。

3.3 熱力學(xué)狀態(tài)

沖擊波加載是一個(gè)非等熵的過(guò)程，卸載是一個(gè)等熵過(guò)程，材料的終態(tài)將獲得溫升。沖擊加載過(guò)程所做的功數(shù)值上等于p-V圖上瑞利線以下覆蓋的面積，沖擊加載過(guò)程所產(chǎn)生的內(nèi)能EH為[22-23]：

式中：p0為初始?jí)毫Γ琕0和VH分別為初始和達(dá)到阻抗匹配壓力后的比容。材料在等熵卸載到零壓的過(guò)程中，沖擊壓縮的內(nèi)能會(huì)被釋放，釋放的內(nèi)能ES由等熵線p(S)以下的面積決定：

式中：VR為卸載后的比容。材料的殘余內(nèi)能ΔE為沖擊加載過(guò)程產(chǎn)生的內(nèi)能與卸載過(guò)程釋放的內(nèi)能之差：

Al/Mg 防護(hù)屏的殘余內(nèi)能為[9]：

式中：d為各層材料的厚度，下標(biāo)“b1”代表2A12 層，“b2”代表AZ31B 層。在撞擊速度為5.0 km/s 時(shí)，Al/Mg 防護(hù)屏中的殘余內(nèi)能為0.716 MJ/kg，與鋁合金屏的殘余內(nèi)能0.526 MJ/kg 相比，Al/Mg 防護(hù)屏中的ΔE增加了36.1%。這驗(yàn)證了文獻(xiàn)[9]中的結(jié)論：隨著溫升的增大材料層裂強(qiáng)度降低，受撞擊后防護(hù)屏更易產(chǎn)生細(xì)化的碎片，這就是后墻擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)撞擊坑尺寸更小的原因。

4 結(jié) 論

本文中研究了一種新型Al/Mg 波阻抗梯度材料加強(qiáng)型Whipple 結(jié)構(gòu)的超高速撞擊特性。在5.0 km/s 的撞擊速度下，針對(duì)具有同等面密度的Al/Mg 結(jié)構(gòu)與鋁合金結(jié)構(gòu)初步開展了超高速撞擊對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：撞擊過(guò)程中未出現(xiàn)液化或氣化現(xiàn)象，Al/Mg 結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)異的防護(hù)性能。由于2 次實(shí)驗(yàn)均為鋁-鋁撞擊事件，2 種類型防護(hù)屏在相同撞擊條件下具有相同的沖擊波壓力和能量：59.8 GPa、38.9 J?；跊_擊波理論分析了沖擊波傳播和熱力學(xué)狀態(tài)，結(jié)果表明：Al/Mg 防護(hù)屏改變了沖擊波的傳播路徑和時(shí)間，沖擊波到達(dá)防護(hù)屏自由面的時(shí)間由鋁合金防護(hù)屏的0.175 μs 增長(zhǎng)至0.226 μs，使彈丸和防護(hù)屏材料有足夠的時(shí)間破碎和溫升，并且使彈丸碎片擴(kuò)散的區(qū)域更廣。多層裂現(xiàn)象提升了彈丸的破碎程度，使碎片云中心的大碎片明顯細(xì)化。此外，在撞擊速度為5.0 km/s 時(shí)，Al/Mg 防護(hù)屏中的殘余內(nèi)能與鋁合金防護(hù)屏中的殘余內(nèi)能相比增加了36.1%。不同面密度的Al/Mg 結(jié)構(gòu)均具有較高的內(nèi)能轉(zhuǎn)化率，表現(xiàn)出優(yōu)異的動(dòng)能耗散特性。因此，除在防護(hù)屏中采用高阻抗的迎撞擊面來(lái)提升沖擊壓力和溫升從而提升彈丸破碎程度外，通過(guò)改變防護(hù)屏的波阻抗梯度特征，也能實(shí)現(xiàn)彈丸和防護(hù)屏碎片的細(xì)化，并且能夠耗散更多的系統(tǒng)動(dòng)能。波阻抗梯度材料為一種具有潛在應(yīng)用前景的空間碎片防護(hù)屏材料，未來(lái)需要開展更多的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，對(duì)其超高速撞擊特性和防護(hù)性能進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，此外，可開展不同面密度波阻抗梯度材料防護(hù)屏設(shè)計(jì)，來(lái)滿足不同類型航天器的防護(hù)需求。