不同填充層材料的空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)研究

郭運(yùn)佳，文雪忠，黃 潔，趙君堯，柯發(fā)偉，柳 森

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 超高速碰撞研究中心，綿陽(yáng)621000）

0 引言

高速運(yùn)動(dòng)的空間碎片撞擊到航天器，可造成航天器表面受損、部件失靈乃至航天器解體等。隨著人類(lèi)航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，因廢棄、解體航天器等產(chǎn)生的空間碎片數(shù)量激增，對(duì)在軌航天器的撞擊損傷風(fēng)險(xiǎn)日益增大。為了保障航天器的在軌安全，發(fā)展防護(hù)性能好的輕型防護(hù)結(jié)構(gòu)，始終是航天器防護(hù)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重點(diǎn)工作[1]。

Whipple結(jié)構(gòu)是航天器抵御尺寸較小、難以跟蹤識(shí)別的空間碎片撞擊的經(jīng)典防護(hù)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，以進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)防護(hù)性能為目標(biāo)，發(fā)展出多種防護(hù)結(jié)構(gòu)，如緩沖屏改進(jìn)型結(jié)構(gòu)[2-5]、填充防護(hù)結(jié)構(gòu)[6-11]、后壁改進(jìn)型防護(hù)結(jié)構(gòu)[12-13]以及其他異型結(jié)構(gòu)[14]等，均能有效提升結(jié)構(gòu)防護(hù)性能。其中，研究和應(yīng)用較為廣泛的是填充防護(hù)結(jié)構(gòu)，如：NextelKevlar纖維填充結(jié)構(gòu)[15-16]中的NextelKevlar 纖維可進(jìn)一步破碎撞擊穿過(guò)緩沖屏的碎片，吸收碎片動(dòng)能，降低碎片撞擊對(duì)后墻的損傷程度，從而顯著提升結(jié)構(gòu)防護(hù)性能，并已成功應(yīng)用于國(guó)際空間站；鋁網(wǎng)填充結(jié)構(gòu)[17]中的鋁網(wǎng)可破碎撞擊碎片、分散撞擊碎片能量，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)結(jié)構(gòu)后墻、提升結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的效果；泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)[18-19]中的泡沫鋁和鋁網(wǎng)的作用相似，且效果更加明顯。一般認(rèn)為，具備高強(qiáng)度和高模量特征的填充層能夠進(jìn)一步破碎撞擊碎片，并衰減撞擊能量，從而降低后墻損傷，達(dá)到提升結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的目的；且低密度特征填充層能夠減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，有利于降低航天器的載荷成本。因此填充層材料的選用一般以高強(qiáng)度、高模量、低密度為原則。

為探索填充層材料特性對(duì)結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的影響，指導(dǎo)新型填充防護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文利用彈道靶設(shè)備開(kāi)展超高速撞擊試驗(yàn)，對(duì)比研究6種面密度相同但填充層材料特性不同的防護(hù)結(jié)構(gòu)——NextelKevlar 纖維填充結(jié)構(gòu)、BasaltKevlar 纖維填充結(jié)構(gòu)、氣凝膠玻纖復(fù)合材料填充結(jié)構(gòu)、木層填充結(jié)構(gòu)、玻璃鋼填充結(jié)構(gòu)和鋁板填充結(jié)構(gòu)（一般稱(chēng)為三層鋁板結(jié)構(gòu)，在本文中為了強(qiáng)調(diào)填充材料的差異，采用與其他幾種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的名稱(chēng)，稱(chēng)其為鋁板填充結(jié)構(gòu)）在相同試驗(yàn)狀態(tài)下的損傷情況及其防護(hù)性能，初步評(píng)估了不同填充層材料對(duì)填充結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的影響。

1 超高速撞擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的超高速?gòu)椀腊蠥（見(jiàn)圖1）開(kāi)展超高速撞擊試驗(yàn)，以對(duì)比研究不同填充層材料對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)性能的影響。

圖1 超高速?gòu)椀腊蠥Fig.1 Hypervelocity ballistic range A

試驗(yàn)中采用的彈丸為2A12鋁球，利用彈道極限方程[6]估算出鋁板填充結(jié)構(gòu)在5 km/s撞擊速度下的臨界彈丸尺寸約為5.0 mm。為了使試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比相對(duì)明顯，試驗(yàn)選用的彈丸直徑為5.5 mm，以達(dá)到剛好擊穿鋁板填充結(jié)構(gòu)，而不擊穿性能優(yōu)于它的其他防護(hù)結(jié)構(gòu)的效果。此外，為了進(jìn)一步對(duì)比較低速度下防護(hù)結(jié)構(gòu)的性能差異，選用了另一組試驗(yàn)狀態(tài)（撞擊速度為3 km/s、彈丸直徑為4.0 mm）。

試驗(yàn)主要采用的填充防護(hù)結(jié)構(gòu)為BasaltKevlar填充結(jié)構(gòu)、氣凝膠玻纖填充結(jié)構(gòu)、木層填充結(jié)構(gòu)以及鋁板填充結(jié)構(gòu)，NextelKevlar 填充結(jié)構(gòu)和玻璃鋼填充結(jié)構(gòu)僅以撞擊速度為5 km/s試驗(yàn)狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果作補(bǔ)充對(duì)比分析。以上6種填充防護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)物見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)采用的6種填充防護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Six kindsof stuffed shieldsfor thetests

6種填充防護(hù)結(jié)構(gòu)的特征尺寸一致，緩沖屏與填充層之間的距離為50 mm，緩沖屏與后墻之間的距離為100 mm，緩沖屏采用厚度為1.0 mm 的2A12鋁板，后墻采用厚度為2.0 mm 的2A12鋁板。填充層材料參數(shù)見(jiàn)表1，其中等效厚度依據(jù)面密度測(cè)算。

表1 防護(hù)結(jié)構(gòu)填充層材料參數(shù)Table 1 The parametersof stuffed materials

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻損傷情況

共開(kāi)展了2種狀態(tài)的超高速撞擊試驗(yàn)：第1種試驗(yàn)狀態(tài)下，鋁球?qū)Ψ雷o(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊速度相對(duì)較低，約為3 km/s；第2種試驗(yàn)狀態(tài)下，鋁球?qū)Ψ雷o(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊速度相對(duì)較高，約為5 km/s。幾種防護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)后的損傷情況見(jiàn)表2（表中：φ表示彈丸直徑；v表示撞擊速度）。

第1種試驗(yàn)狀態(tài)下4種結(jié)構(gòu)的后墻損傷情況見(jiàn)圖3，其中：BasaltKevlar 填充結(jié)構(gòu)和氣凝膠玻纖填充結(jié)構(gòu)的后墻被擊穿，木層填充結(jié)構(gòu)和鋁板填充結(jié)構(gòu)的后墻未被擊穿；鋁板填充結(jié)構(gòu)后墻上出現(xiàn)氧化痕跡和微小鼓包；木層填充結(jié)構(gòu)后墻上未出現(xiàn)鼓包，且后墻正面僅出現(xiàn)細(xì)微撞擊痕跡。主要原因在于彈丸撞擊緩沖屏產(chǎn)生的大部分碎片被木層阻擋并嵌在坍縮的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)部。比對(duì)結(jié)果表明：在較低撞擊速度下，4種結(jié)構(gòu)中防護(hù)性能最佳的是木層填充結(jié)構(gòu)，鋁板填充結(jié)構(gòu)稍次之，BasaltKevlar 填充結(jié)構(gòu)和氣凝膠玻纖填充結(jié)構(gòu)情況類(lèi)似且最差。

表2 不同填充層材料對(duì)應(yīng)的防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻損傷情況Table 2 The damage of rear wall for different kinds of stuffed shields

圖3 較低撞擊速度下4種結(jié)構(gòu)后墻損傷情況Fig.3 The damage of four kindsof shields being impacted at lower velocities

為對(duì)比在更高撞擊速度下這4種結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能差異，開(kāi)展撞擊速度約5 km/s狀態(tài)下的超高速撞擊試驗(yàn)，4種結(jié)構(gòu)后墻損傷情況見(jiàn)圖4。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，4種結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能與較低撞擊速度下明顯不同，其中鋁板填充結(jié)構(gòu)后墻被擊穿；BasaltKevlar填充結(jié)構(gòu)和氣凝膠玻纖填充結(jié)構(gòu)后板未被擊穿但背面出現(xiàn)鼓包變形；木層填充結(jié)構(gòu)后板未被擊穿，也無(wú)明顯鼓包變形，只有幾個(gè)小鼓包。比對(duì)結(jié)果表明：在較高撞擊速度下，4種結(jié)構(gòu)中防護(hù)性能最佳的依然是木層填充結(jié)構(gòu)，BasaltKevlar 填充結(jié)構(gòu)和氣凝膠玻纖填充結(jié)構(gòu)稍次之，但這3種結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能均顯著優(yōu)于鋁板填充結(jié)構(gòu)的。

圖4 較高撞擊速度下4種結(jié)構(gòu)后墻損傷情況Fig.4 The damage of four kindsof shields being impacted at higher velocities

此外，為了對(duì)比上述填充防護(hù)結(jié)構(gòu)與目前應(yīng)用較為廣泛的填充結(jié)構(gòu)（NextelKevlar 纖維填充結(jié)構(gòu)）和相對(duì)較重材質(zhì)的填充結(jié)構(gòu)（玻璃鋼填充結(jié)構(gòu)）間的防護(hù)性能差異，在較高撞擊速度下，還進(jìn)行了一組針對(duì)NextelKevlar 纖維填充結(jié)構(gòu)和玻璃鋼填充結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5。圖4和圖5顯示：每種防護(hù)結(jié)構(gòu)的后墻正面均有大量高溫反應(yīng)痕跡，其中木材、化纖等有機(jī)材料填充結(jié)構(gòu)的為黑色碳化物，鋁板填充結(jié)構(gòu)的為白色重結(jié)晶或氧化物；幾種防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻的損傷情況也不盡相同——NextelKevlar纖維填充結(jié)構(gòu)的后板未被擊穿且只有輕微的鼓包變形，與BasaltKevlar 填充結(jié)構(gòu)和氣凝膠玻纖填充結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果相似但略?xún)?yōu)于后兩者，且明顯優(yōu)于玻璃鋼填充結(jié)構(gòu)和鋁板填充結(jié)構(gòu)的。

圖5 較高撞擊速度下2種結(jié)構(gòu)后墻損傷情況[10]Fig.5 The damage of two kindsof shieldsbeing impacted at higher velocities

2.2 結(jié)果分析與討論

撞擊速度較低（約3 km/s）時(shí)，纖維布類(lèi)（BasaltKevlar 和氣凝膠玻纖）材料作為填充層的防護(hù)效果之所以明顯低于板材類(lèi)（木層和鋁板）材料作為填充層的防護(hù)效果，可能是由于纖維類(lèi)材料對(duì)碎片的破碎和反射作用低于板材類(lèi)材料，撞擊穿過(guò)緩沖屏的碎片經(jīng)過(guò)填充層材料攔截后，依然存在一個(gè)尺寸較大、侵徹能力較強(qiáng)的碎片，這個(gè)碎片撞擊到后墻則會(huì)導(dǎo)致撞擊中心位置穿孔，見(jiàn)圖3(a)和圖3(b)以及圖6。圖6由中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心研制的超高速序列激光陰影成像儀拍攝，圖中3層結(jié)構(gòu)從左到右依次為緩沖屏、填充層和后墻。圖6(a)和圖6(b)顯示未被填充層破碎充分的彈丸主體碎片擊穿后墻。

圖6 彈丸撞擊填充結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的碎片云圖像（φ=4.0 mm，v=3 km/s）Fig.6 The imagesof thedebriscloudscreated by impacted stuffed shields(φ=4.0 mm,v=3 km/s)

撞擊速度較高（約5 km/s）時(shí)，纖維布類(lèi)（BasaltKevlar、氣凝膠玻纖、NextelKevlar）作為填充層的防護(hù)效果明顯提升，而鋁板填充結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果最差。其原因可能是彈丸在更高速度下撞擊緩沖屏后被破碎得更加充分，此時(shí)填充層對(duì)大量小碎片的阻擋和能量轉(zhuǎn)化作用的重要性開(kāi)始凸顯。纖維布類(lèi)材料雖然破碎作用不強(qiáng)，但展示出良好的能量轉(zhuǎn)化作用——摩擦使動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，高溫作用下金屬流動(dòng)性增強(qiáng)，使后墻發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生一個(gè)具有單一最高點(diǎn)的大鼓包；該鼓包變形的高度和尺寸越小，表示碎片對(duì)后墻的撞擊能量越低，意味著填充材料對(duì)撞擊碎片的阻擋耗能作用也越強(qiáng)。單一鼓包變形最明顯的是鋁板填充結(jié)構(gòu)，其次為玻璃鋼填充結(jié)構(gòu)，再次為BasaltKevlar 填充結(jié)構(gòu)和氣凝膠玻纖填充結(jié)構(gòu)，最后為NextelKevlar 填充結(jié)構(gòu)和木層填充結(jié)構(gòu)。

值得注意的是，即使在較高撞擊速度下，木層填充結(jié)構(gòu)依然保持良好的防護(hù)效果。其原因可能在于木層是由木質(zhì)纖維構(gòu)成的多孔板材結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備纖維布類(lèi)和板材類(lèi)的優(yōu)點(diǎn)，除了對(duì)撞擊碎片有良好的破碎作用，還具有優(yōu)異的阻擋和吸能作用。這一點(diǎn)從圖3(c)和圖4(c)中木層填充結(jié)構(gòu)后墻正面和背面的損傷形態(tài)可以得到證實(shí)——后墻正面未出現(xiàn)明顯的撞擊坑，表示撞擊穿過(guò)木層的碎片中無(wú)尺寸較大、侵徹能力較強(qiáng)的碎片；后墻背面未出現(xiàn)明顯的鼓包變形，表示撞擊穿過(guò)木層的碎片被阻攔較多，剩余碎片動(dòng)能和轉(zhuǎn)化而來(lái)的熱能少，則黑色碳化物少，對(duì)后墻的沖擊也不足以形成尺度較大的鼓包變形。

上述試驗(yàn)結(jié)果和分析表明，填充層材料主要通過(guò)2方面作用來(lái)提升結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能：一是對(duì)撞擊穿過(guò)緩沖屏碎片的破碎作用，進(jìn)一步減小了碎片尺寸，減弱了碎片對(duì)后墻的侵徹?fù)p傷；二是對(duì)撞擊穿過(guò)緩沖屏碎片的阻擋吸能作用，進(jìn)一步降低了碎片動(dòng)能，減弱了碎片對(duì)后墻的沖擊損傷。

3 設(shè)計(jì)建議

根據(jù)上述分析結(jié)果，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，開(kāi)展填充防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以從2個(gè)優(yōu)化策略入手：當(dāng)撞擊穿過(guò)緩沖屏的碎片破碎程度較低時(shí)，為降低較大尺寸碎片對(duì)后墻的穿透損傷，填充層材料應(yīng)以對(duì)撞擊碎片的破碎作用為主，選用剛度較高的材料（如本文中的鋁板甚至木層等）；當(dāng)撞擊穿過(guò)緩沖屏的碎片破碎程度較高時(shí)，為降低大量高動(dòng)能小碎片對(duì)后墻的沖擊損傷，填充層材料應(yīng)以對(duì)撞擊碎片的阻擋吸能作用為主，選用吸能效果好的多孔材料（如木層等）或纖維布類(lèi)材料（如NextelKevlar、BasaltKevlar甚至氣凝膠玻纖等）。一般而言，當(dāng)小尺寸（mm 級(jí)）空間碎片撞擊到航天器時(shí)，撞擊的相對(duì)速度極高（平均超過(guò)10 km/s），撞擊穿過(guò)防護(hù)結(jié)構(gòu)緩沖屏的碎片破碎程度較高，降低碎片對(duì)后墻的沖擊損傷更為重要，因此開(kāi)展填充防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用吸能效果好的材料作為填充層。

4 結(jié)論及展望

本文通過(guò)幾種不同填充層材料的防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻損傷情況對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在撞擊速度較高時(shí)，纖維布類(lèi)（NextelKevlar、BasaltKevlar、氣凝膠玻纖）填充結(jié)構(gòu)和多孔材料類(lèi)（木層）填充結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能較好，玻璃鋼填充結(jié)構(gòu)次之，但均優(yōu)于面密度相同的鋁板填充結(jié)構(gòu)；在撞擊速度較低時(shí)，除木層填充結(jié)構(gòu)繼續(xù)保持良好的防護(hù)性能外，纖維類(lèi)布材料（BasaltKevlar 纖維和氣凝膠玻纖）填充結(jié)構(gòu)的性能反而變差，甚至低于面密度相同的鋁板填充結(jié)構(gòu)。

本文僅初步對(duì)比了不同填充層材料對(duì)結(jié)構(gòu)防護(hù)性能的影響，提供了填充防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化思路。但防護(hù)結(jié)構(gòu)所在的復(fù)雜空間碎片環(huán)境既有可能發(fā)生低速撞擊又有可能發(fā)生高速撞擊，故需考慮同時(shí)面對(duì)不同狀況的綜合防護(hù)能力，尋找綜合防護(hù)性能更好的填充防護(hù)結(jié)構(gòu)。因此，下一步還需開(kāi)展更廣泛撞擊速度下的超高速撞擊試驗(yàn)、填充層材料相關(guān)力學(xué)特征參數(shù)定量檢測(cè)以及防護(hù)結(jié)構(gòu)損傷關(guān)聯(lián)分析等工作，以獲得更為定量和精細(xì)的填充材料參數(shù)對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律，探尋合理優(yōu)化的組合材料填充結(jié)構(gòu)。