活性Whipple 結(jié)構(gòu)超高速撞擊防護(hù)性能實(shí)驗(yàn)研究*

武 強(qiáng)，張慶明，龔自正，任思遠(yuǎn)，劉 海

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2. 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3. 中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速空氣動(dòng)力研究所，四川 綿陽 621000）

近年來空間碎片環(huán)境日益惡化，截止到2019 年，尺寸為1～10 cm 的空間碎片數(shù)量約為75 萬個(gè)，尺寸為1～10 mm 的碎片數(shù)量超過1.5 億個(gè)，未來50 年空間碎片數(shù)量將以每年10%的速度增長[1]。航天器和空間碎片碰撞時(shí)的平均相對(duì)速度為10 km/s，一旦撞擊將導(dǎo)致航天器表面被損傷或破壞，引起部件、分系統(tǒng)甚至整個(gè)航天器失效。

為提高航天器在惡劣空間碎片環(huán)境中的生存能力，自20 世紀(jì)80 年代以來，NASA、ESA、JAXA 等基于傳統(tǒng)Whipple 防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，研制出多種高性能防護(hù)結(jié)構(gòu)，選擇的材料主要有高強(qiáng)度鋁合金板、鋁網(wǎng)、泡沫鋁、蜂窩板、Nextel 陶瓷布、Kevlar 纖維布等[2-5]。我國航天器空間碎片防護(hù)研究工作起步較晚，缺少高性能防護(hù)材料，面對(duì)空間碎片防護(hù)工程需求日趨強(qiáng)烈的現(xiàn)狀，一些學(xué)者開展了高性能防護(hù)材料的研制工作，并得到了初步的工程應(yīng)用。賈古寨等[6]研究制備了高性能玄武巖纖維織物，并進(jìn)行了超高速撞擊實(shí)驗(yàn)研究，獲得了其超高速撞擊損傷與防護(hù)機(jī)理；王應(yīng)德等[7]研究制備了高性能SiC 纖維織物，開發(fā)了國產(chǎn)高性能SiC 纖維織物填充防護(hù)結(jié)構(gòu)，并建立了對(duì)應(yīng)撞擊極限；侯明強(qiáng)等[8]提出將阻抗梯度材料應(yīng)用于空間碎片防護(hù)，并系統(tǒng)研究了阻抗梯度材料及其防護(hù)結(jié)構(gòu)的超高速撞擊特性，獲得了材料和結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。盡管航天器空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)材料多樣，但均為惰性材料，由于防護(hù)機(jī)理單一，很大程度上制約了防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)大尺寸空間碎片的防護(hù)能力。

PTFE/Al 是一種沖擊引發(fā)的活性材料，可在沖擊加載下被引發(fā)反應(yīng)釋放化學(xué)潛能，并對(duì)目標(biāo)造成穿甲、燃燒、內(nèi)爆等多種形式的綜合毀傷效應(yīng)。學(xué)者們圍繞活性材料動(dòng)態(tài)力學(xué)特性、沖擊反應(yīng)釋能特性、高效毀傷戰(zhàn)斗部應(yīng)用等進(jìn)行了大量的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，但均以增強(qiáng)戰(zhàn)斗部的毀傷效果為研究背景[9-13]。因此，開展PTFE/Al 活性材料超高速撞擊實(shí)驗(yàn)研究，獲取防護(hù)結(jié)構(gòu)的損傷與防護(hù)特性，對(duì)航天器空間碎片防護(hù)能力的提高具有重要意義。本文中利用二級(jí)輕氣炮開展活性材料防護(hù)結(jié)構(gòu)的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)合防護(hù)結(jié)構(gòu)在不同撞擊條件下的碎片云與后板損傷特性，探討活性材料防護(hù)性能，擬合得到撞擊極限曲線。

1 超高速撞擊實(shí)驗(yàn)

1.1 PTFE/Al 活性材料薄板的制備

實(shí)驗(yàn)中作為防護(hù)屏的PTFE/Al 是一種零氧配比的活性材料，采用冷壓燒結(jié)制備工藝，經(jīng)混合、干燥、壓制、燒結(jié)而成。其中PTFE 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73.5%，Al 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.5%，表1 中給出了主要原材料的相關(guān)參數(shù)。由于PTFE/Al 需要作為空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，因此要求材料的力學(xué)強(qiáng)度越高越好。通過前期對(duì)制備工藝的研究可知，當(dāng)成型壓力為80 MPa 時(shí)，結(jié)合具有熔融、結(jié)晶平臺(tái)的燒結(jié)工藝（見圖1），獲得的材料具有最理想的力學(xué)性能。

實(shí)驗(yàn)中將防護(hù)屏制備成直徑110 mm 的圓板，為了準(zhǔn)確控制防護(hù)屏面密度，材料參數(shù)需要滿足公式：

PTFE/Al 活性材料模壓成型后，還需要經(jīng)歷燒結(jié)工藝，由于燒結(jié)過程中基體PTFE 經(jīng)歷晶體熔化、再結(jié)晶，并伴有孔洞閉合、內(nèi)應(yīng)力釋放等機(jī)制，燒結(jié)前后材料體積會(huì)根據(jù)成型壓力的大小有所變化，所以很難單獨(dú)確定 ρ0或者h(yuǎn)0。制備活性材料板所需質(zhì)量的計(jì)算公式為：

表1 主要原料參數(shù)Table 1 Parameters of raw materials

圖1 具有熔融、結(jié)晶平臺(tái)的燒結(jié)工藝曲線Fig. 1 Sintering process curve with melting and crystal platform

式中：R 為模具半徑。

將式（1）代入式（2），可得：

為了保證面密度相同，只需要確定所需活性材料的質(zhì)量即可，采用這種方法制備的薄板面密度誤差小于1%。為了盡可能地接近工程應(yīng)用背景，同時(shí)考慮活性材料制備工藝的可行性，實(shí)驗(yàn)中選用面密度為0.84 g/cm2的PTFE/Al 活性材料防護(hù)屏，對(duì)應(yīng)粉末質(zhì)量為81.2 g。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方案

采用二級(jí)輕氣炮進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)射管口徑為14.5 mm，最高發(fā)射速度可達(dá)7.1 km/s。超高速撞擊實(shí)驗(yàn)靶板結(jié)構(gòu)選用經(jīng)典的Whipple 防護(hù)結(jié)構(gòu)（見圖2），撞擊角度為0°，防護(hù)間距為100 mm，球形彈丸材料為LY-12 鋁。

圖2 Whipple 防護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)方案Fig. 2 Whipple shield configuration

采用磁測速系統(tǒng)測量彈丸速度，并采用激光陰影攝像機(jī)記錄彈丸的超高速撞擊過程。為了保證彈丸完整性，采用氣動(dòng)分離系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)彈丸與彈托的分離，氣動(dòng)彈托及彈托攔截靶攔截前后對(duì)比如圖3 所示。

圖3 彈丸彈托及攔截靶攔截前后對(duì)比圖Fig. 3 Typical sabot and contrast of interception target before and after impact

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

共進(jìn)行9 發(fā)超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，除實(shí)驗(yàn)1 的防護(hù)屏為鋁合金外，其余實(shí)驗(yàn)的防護(hù)屏均為PTFE/Al 活性材料，面密度均為0.84 g/cm2。球形彈丸直徑分別為5.0、6.0、6.4 mm，彈丸撞擊速度范圍為2.3～6.1 km/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，主要包括彈丸參數(shù)、Whipple 防護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及后板損傷情況。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及損傷情況Table 2 Hypervelocity impact test configurations and damage results

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 碎片云特性

文獻(xiàn)[14]采用高速攝像機(jī)記錄彈丸的超高速撞擊過程，證明活性材料在撞擊瞬間發(fā)生了可靠的沖擊起爆反應(yīng)。由于沖擊起爆反應(yīng)過程伴有劇烈的發(fā)光現(xiàn)象，強(qiáng)光會(huì)導(dǎo)致圖像的過渡曝光，使碎片云形貌湮沒，所以高速攝像機(jī)無法有效記錄含能防護(hù)結(jié)構(gòu)碎片云演變過程。激光陰影攝影系統(tǒng)可以很好地解決這一問題[15]。

圖4～5 給出了彈丸分別撞擊鋁合金防護(hù)屏（實(shí)驗(yàn)1）、含能活性防護(hù)屏（實(shí)驗(yàn)2）后碎片云的激光陰影照片，攝影系統(tǒng)的時(shí)間序列間隔為5 μs。由于陰影照片的視場直徑只有80 mm，所以圖片中未顯示防護(hù)結(jié)構(gòu)的后板。

圖4 實(shí)驗(yàn)1 碎片云激光陰影照片（LY-12 鋁防護(hù)屏）Fig. 4 Laser shadowgraphs of debris clouds in experiment 1 (LY-12 Al shield)

由圖4 可知，碎片云的初始時(shí)刻由于沒有充分膨脹，碎片密度大，激光光源無法穿透，所以照片只能顯示碎片云的外部輪廓，不能分辨出塊狀碎片。隨著碎片云飛行過程中沿軸向、徑向的不斷膨脹，碎片云密度減小，逐漸有光源可以透過，可以看到碎片云中包含有非常多的大尺寸碎片，這些碎片由鋁合金防護(hù)屏和彈丸材料共同組成，可導(dǎo)致后板成坑甚至穿孔失效。

不同于圖4 中碎片云的橢球形膨脹過程，圖5 中彈丸撞擊活性材料防護(hù)屏后形成的碎片云膨脹過程更接近于球形，且在整個(gè)拍攝過程中碎片云都不透光，沒有觀測到大尺寸碎片。這是因?yàn)榛钚圆牧铣咚僮矒艉蟀l(fā)生爆炸反應(yīng)，生成高溫、高壓、高密度的氣體產(chǎn)物與彈丸破碎產(chǎn)生的碎片共同組成碎片云，高密度的氣體產(chǎn)物導(dǎo)致激光光源無法穿過，同時(shí)高壓氣體產(chǎn)物在真空中會(huì)迅速膨脹，使碎片云的輪廓逐漸接近于球形。這一現(xiàn)象也間接證明PTFE/Al 活性材料在超高速撞擊下發(fā)生了爆炸反應(yīng)。此時(shí)，由于活性材料防護(hù)屏超高速撞擊破碎后大部分發(fā)生爆轟或爆燃反應(yīng)，少量沒有反應(yīng)的PTFE/Al 碎片動(dòng)能非常低，使得碎片云中具有侵徹能力的碎片主要來自于彈丸材料，從而大幅減少有害碎片數(shù)量，導(dǎo)致后板損傷情況減弱。

圖5 實(shí)驗(yàn)2 碎片云激光陰影照片（PTFE/Al 防護(hù)屏）Fig. 5 Laser shadowgraphs of debris clouds in experiment 2 (PTFE/Al shield)

2.2 后板損傷特性

空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)后板損傷特性的分析對(duì)于獲取碎片云的形成信息具有重要意義[16]，通過觀察分析后板損傷特點(diǎn)，可以在一定程度上反推碎片云的結(jié)構(gòu)與形態(tài)。實(shí)驗(yàn)中回收的典型后板損傷情況如圖6～9 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)1 的防護(hù)結(jié)構(gòu)后板損傷（LY-12 鋁防護(hù)屏）Fig. 6 Rear wall damage of protective structure in experiment 1 (LY-12 Al shield)

圖7 實(shí)驗(yàn)2 的防護(hù)結(jié)構(gòu)后板損傷（PTFE/Al 防護(hù)屏）Fig. 7 Rear wall damage of protective structure in experiment 2 (PTFE/Al shield)

實(shí)驗(yàn)1～2 的防護(hù)屏材料分別為鋁合金、活性材料，防護(hù)屏面密度等其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)保持一致，后板損傷情況如圖6～7 所示。實(shí)驗(yàn)1 中后板正面中間有一個(gè)直徑25 mm 左右的嚴(yán)重毀傷區(qū)，背面明顯發(fā)生層裂，甚至出現(xiàn)長10 mm 左右的撕裂區(qū)，直徑3 mm 以上的彈坑數(shù)目多達(dá)46 個(gè)，而實(shí)驗(yàn)2 后板則未出現(xiàn)大面積毀傷區(qū)域，后板損傷程度大幅降低，直徑3 mm 以上的彈坑數(shù)目只有13 個(gè)，這是因?yàn)榛钚圆牧铣咚僮矒艉蟮姆磻?yīng)產(chǎn)物基本不具備侵徹能力，直觀反映就是后墻彈坑數(shù)目的大幅降低。

圖8 實(shí)驗(yàn)8 的防護(hù)結(jié)構(gòu)后板損傷（PTFE/Al 防護(hù)屏）Fig. 8 Rear wall damage of protective structure in experiment 8 (PTFE/Al shield)

圖9 實(shí)驗(yàn)9 的防護(hù)結(jié)構(gòu)后板損傷（PTFE/Al 防護(hù)屏）Fig. 9 Rear wall damage of protective structure in experiment 9 (PTFE/Al shield)

為了更準(zhǔn)確地分析活性材料防護(hù)結(jié)構(gòu)中后板損傷情況，得到撞擊速度對(duì)彈丸破碎情況的影響規(guī)律，對(duì)3 種尺寸的彈坑數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，分別為dc＞4 mm（大彈坑），3 mm≤dc≤4 mm（中彈坑），2 mm≤dc＜3 mm（小彈坑），詳細(xì)結(jié)果見表3。

實(shí)驗(yàn)8～9 中后板只有1 個(gè)4 mm以上彈坑，表明彈丸與活性材料防護(hù)屏作用后并沒有發(fā)生整體破碎，仍以比較完整的彈體撞擊后板，說明撞擊速度為2.65、2.31 km/s 時(shí)，碰撞與爆炸兩種作用下產(chǎn)生的沖擊力不足以使彈丸發(fā)生整體破碎，對(duì)應(yīng)的撞擊速度處于彈道段。

實(shí)驗(yàn)3～5 中彈丸速度均為約4 km/s，此時(shí)彈坑總數(shù)明顯增多，彈坑分布近似于中心圓域，說明此時(shí)在碰撞與爆炸兩種作用下彈丸已經(jīng)發(fā)生破碎，撞擊速度處于破碎段，對(duì)應(yīng)的撞擊速度應(yīng)該高于彈丸的臨界破碎速度。在空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊極限方程中，臨界破碎速度定義為彈丸剛好發(fā)生破碎時(shí)的速度，也是彈道區(qū)域破碎區(qū)的分界點(diǎn)[17]。

實(shí)驗(yàn)2 中撞擊速度增大為5.03 km/s，此時(shí)無論是小彈坑數(shù)目還是彈坑總數(shù)都出現(xiàn)大幅增加，說明相較于實(shí)驗(yàn)3～5 中4 km/s 左右的撞擊速度，此時(shí)彈丸材料發(fā)生更充分的破碎。彈坑分布也開始發(fā)生變化，不再集中在后板中心區(qū)域，而是出現(xiàn)不太規(guī)則的環(huán)狀分布，中心區(qū)域發(fā)生輕微的整體凹陷。

實(shí)驗(yàn)7 中，撞擊速度進(jìn)一步增大到6.08 km/s，此時(shí)，直徑大于4 mm 的大彈坑數(shù)目為零，說明彈丸破碎更加充分；但相較于實(shí)驗(yàn)2，彈坑總數(shù)反而大幅降低，彈坑分布呈圓環(huán)狀，直徑約52 mm，中心圓形區(qū)域發(fā)生明顯的整體凹陷，如圖10 所示。由碎片云形成理論可知，如果發(fā)生了熔化、氣化，這時(shí)碎片云是由固、液、氣三相組成的氣泡。這時(shí)碎片云對(duì)后板的破壞主要表現(xiàn)為“氣泡”對(duì)主結(jié)構(gòu)層的整體破壞，起決定作用的是后板單位面積上的沖量。沖量足夠大時(shí)，可能會(huì)使后板出現(xiàn)整體的撕裂破壞，沖量較小時(shí)，破壞模式表現(xiàn)為局部凹陷。從后板的損傷情況可以推測，6.08 km/s 撞擊條件下，彈丸中部與活性材料防護(hù)屏充分接觸的部分在碰撞與爆炸的共同作用下發(fā)生液化、氣化，而在彈丸邊緣，稀疏波作用下活性材料不足以充分爆轟，釋放能量明顯小于中心區(qū)域，導(dǎo)致彈丸不能完全液化、氣化，而是形成中間為液、氣兩相氣泡，周圍為固相顆粒的混合碎片云。分析表明，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的防護(hù)結(jié)構(gòu)，6.08 km/s 的撞擊速度已經(jīng)處于熔化/氣化區(qū)。

圖11 中給出了彈坑總數(shù)隨速度的變化趨勢，從圖7 可以清晰地觀察到彈坑數(shù)目的變化主要分為3 個(gè)階段，當(dāng)彈丸速度位于彈道區(qū)時(shí)，彈丸保持完整，彈坑數(shù)目為1；當(dāng)彈丸進(jìn)入破碎區(qū)后，開始產(chǎn)生破碎，隨著速度的增大，破碎程度迅速增加，表現(xiàn)為彈坑數(shù)目迅速增多；當(dāng)速度進(jìn)一步增大時(shí)，由于彈丸材料開始發(fā)生熔化、氣化，對(duì)后板的損傷轉(zhuǎn)變?yōu)檎w沖量破壞，彈坑數(shù)目開始減少。

表3 后板損傷情況統(tǒng)計(jì)Table 3 Damage statistics of rear wall

圖10 實(shí)驗(yàn)7 后板彈坑環(huán)狀分布圖（PTFE/Al 防護(hù)屏）Fig. 10 Circular distribution of the craters on the rear wall in experiment 7 (PTFE/Al shield)

圖11 彈坑數(shù)目與撞擊速度的關(guān)系Fig. 11 Relationship between impact velocity and crater number

2.3 撞擊極限分析

撞擊極限是航天器空間碎片高速撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、防護(hù)結(jié)構(gòu)和防護(hù)材料優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，是指結(jié)構(gòu)在撞擊后發(fā)生失效與不發(fā)生失效的臨界狀態(tài)，通常的定義形式包括彈丸的直徑及撞擊速度、板的厚度、防護(hù)間距，艙壁強(qiáng)度等。防護(hù)結(jié)構(gòu)后板穿孔或?qū)恿褎t定義為結(jié)構(gòu)失效，失效區(qū)位于撞擊極限曲線上方，未失效區(qū)位于曲線下方。

目前應(yīng)用最廣泛的是Christiansen 方程[17]，可用于描述鋁合金Whipple 雙層結(jié)構(gòu)撞擊極限。根據(jù)彈丸不同速度下破壞機(jī)理的不同，將速度分為3 個(gè)階段：彈道區(qū)、破碎區(qū)、熔化/氣化區(qū)，并直接給出彈丸撞擊極限尺寸。一般情況下，對(duì)于鋁合金Whipple 雙層結(jié)構(gòu)分段速度為別為3、7 km/s。方程具體形式如下：

當(dāng)v0cos θ≤3 km/s 時(shí)：

實(shí)驗(yàn)2 彈丸直徑為6.4 mm，撞擊速度為5.03 km/s，此時(shí)雖然后板沒有發(fā)生穿孔，但后表面產(chǎn)生了小尺寸層裂區(qū)域，判斷為發(fā)生輕微層裂，防護(hù)結(jié)構(gòu)恰好處于臨界防護(hù)狀態(tài)，則6.4 mm 為防護(hù)結(jié)構(gòu)的臨界彈丸直徑。由方程（5）可知，此速度下鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的臨界彈丸直徑為5.04 mm，計(jì)算可知活性材料防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)能力提高約27%，活性材料防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊極限曲線剛好通過該實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)7 保持彈丸直徑不變，將撞擊速度提高到6.08 km/s，此時(shí)防護(hù)結(jié)構(gòu)后板只是輕微的鼓包，沒有發(fā)生失效，說明活性材料防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力在該速度段內(nèi)與速度成正比，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)處于活性材料防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊極限曲線的下方。

實(shí)驗(yàn)3～5 表明，彈丸直徑為5 mm 時(shí)，在3.79～4.0 km/s 速度范圍內(nèi)，防護(hù)結(jié)構(gòu)均處于有效防護(hù)狀態(tài)，為了能夠在這個(gè)速度段內(nèi)找到含能防護(hù)結(jié)構(gòu)的失效點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)6 中將彈丸直徑增大到6 mm，速度降為3.71 km/s，此時(shí)防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生失效。對(duì)比鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)臨界彈丸直徑可知，4.0 km/s 左右時(shí)活性材料防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)能力提升約25%～50%，活性材料防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊極限曲線應(yīng)該處于實(shí)驗(yàn)點(diǎn)3～5 和6 對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間。

為了進(jìn)一步探索活性材料防護(hù)結(jié)構(gòu)在彈道區(qū)（≤3 km/s）的防護(hù)能力，實(shí)驗(yàn)8 的撞擊速度降為2.65 km/s，對(duì)應(yīng)的彈丸直徑為5 mm，此時(shí)防護(hù)結(jié)構(gòu)未發(fā)生失效。由式（4）可知，活性材料防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)能力提高了31%。實(shí)驗(yàn)9 撞擊速度為2.31 km/s，彈丸直徑增大為6 mm，但此時(shí)防護(hù)結(jié)構(gòu)依然沒有失效，防護(hù)能力提高大于45%。由此可知，在彈道段，撞擊速度的降低有利于防護(hù)能力的提高，這是因?yàn)榛钚圆牧铣咚僮矒粝峦耆磻?yīng)時(shí)釋放的能量是一定的，當(dāng)彈丸速度降低時(shí)，釋放能量與彈丸動(dòng)能之比增大，防護(hù)能力提高。但這是以活性材料完全反應(yīng)為前提的，由于PTFE/Al 活性材料的沖擊起爆特性與撞擊速度密切相關(guān)，當(dāng)彈丸速度過低以致其穿靶過程中活性材料沒有來得及反應(yīng)時(shí)，活性材料防護(hù)屏也就失去了其防護(hù)能力的立足之本，加上其無論是波阻抗還是屈服強(qiáng)度都遠(yuǎn)低于鋁合金，所以在彈道段總有一個(gè)速度點(diǎn)使PTFE/Al 活性材料與鋁合金防護(hù)能力相當(dāng)，當(dāng)?shù)陀谶@個(gè)速度時(shí)鋁合金防護(hù)能力更強(qiáng)，高于這個(gè)速度時(shí)PTFE/Al 活性材料更強(qiáng)。利用最小二乘法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)8～9 對(duì)彈道段撞擊極限曲線進(jìn)行擬合，過防護(hù)狀態(tài)臨界點(diǎn)（實(shí)驗(yàn)4）并結(jié)合實(shí)驗(yàn)5～9 對(duì)破碎段撞擊極限進(jìn)行擬合，獲得活性材料面密度為0.84 g/cm2時(shí)對(duì)應(yīng)的彈道段與破碎段的撞擊極限曲線，如圖12 所示，兩者的交點(diǎn)為彈道段與破碎段的分界點(diǎn)，黑色對(duì)比曲線為同面密度鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的撞擊極限曲線。通過對(duì)比可知，活性材料防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)能力獲得大幅提升。

圖12 活性材料及鋁合金Whipple 結(jié)構(gòu)撞擊極限曲線對(duì)比Fig. 12 Comparison of ballistic limit curves between active material and aluminum alloy Whipple shileds

2.4 防護(hù)機(jī)理分析

彈丸與防護(hù)屏超高速撞擊作用下的破碎、熔化甚至氣化現(xiàn)象，是Whipple 結(jié)構(gòu)防護(hù)機(jī)理的核心，彈靶沖擊壓力則是彈丸與防護(hù)屏破碎、相變的能量源，活性材料的應(yīng)用直接改變了這種能量源。首先，彈丸撞擊活性材料產(chǎn)生的沖擊壓力不僅包括沖擊壓縮引起的壓力，還包括因化學(xué)能釋放而貢獻(xiàn)的壓力，兩種壓力的共同作用增加了彈丸的破碎與相變程度。同時(shí)，活性材料的沖擊起爆過程伴隨有高溫、高壓產(chǎn)物的劇烈膨脹，會(huì)對(duì)彈丸產(chǎn)生反向沖量而降低彈丸的軸向動(dòng)能。其次，后板彈坑分析表明，相較于鋁合金結(jié)構(gòu)，活性材料結(jié)構(gòu)后墻彈坑數(shù)量大幅減少，這是因?yàn)榛钚圆牧蠜_擊起爆過程伴隨有化學(xué)能的迅速釋放，導(dǎo)致自身產(chǎn)物多為氣態(tài)，對(duì)后板沒有侵徹能力，后板的侵徹破壞只來自于碎片云中彈丸破碎產(chǎn)生的碎片。

3 結(jié) 論

利用二級(jí)輕氣炮完成PTFE/Al 活性材料的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，速度范圍為2.3～6.1 km/s，覆蓋彈道區(qū)、破碎區(qū)。碎片云特性及后板損傷特性分析表明，由于活性材料超高速撞擊發(fā)生沖擊起爆反應(yīng)，爆炸產(chǎn)物尺寸非常細(xì)小且多為氣態(tài)，此時(shí)碎片云中具有侵徹能力的碎片僅由彈丸破碎產(chǎn)生，大大減弱了對(duì)后板的破壞。撞擊極限分析顯示，相較于同面密度鋁合金，活性材料具有更加優(yōu)異的防護(hù)性能，提升比例與撞擊速度密切相關(guān)?；钚圆牧狭己玫姆雷o(hù)特性使其可能成為未來航天器防護(hù)材料的新選擇。