玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能

管公順，戴訓(xùn)洋，張 鐸

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

空間碎片對航天器在軌運行安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1-2]，空間碎片防護(hù)設(shè)計已成為長期在軌航天器的結(jié)構(gòu)方案中必須考慮的問題[3-5]。在航天器艙壁外增設(shè)防護(hù)屏是提高航天器在空間碎片環(huán)境中生存力的有效方法[6]。防護(hù)屏是航天器抵御空間碎片撞擊的最外層屏障，起到破碎空間碎片，吸收、分散撞擊動能的作用[7-8]。由于防護(hù)材料具有多樣性，撞擊時將出現(xiàn)復(fù)雜的高速撞擊現(xiàn)象[9-10]。對于相同材料和相同面密度的防護(hù)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)方案不同也會使其防護(hù)空間碎片的能力產(chǎn)生差異[11]，防護(hù)結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能通常采用彈道極限進(jìn)行評價[12]。航天器上的防護(hù)結(jié)構(gòu)多為填充和多沖擊結(jié)構(gòu)，防護(hù)結(jié)構(gòu)中的防護(hù)層材料、數(shù)量和位置是影響防護(hù)結(jié)構(gòu)高速撞擊防護(hù)性能的主要因素[13-14]。玄武巖纖維布作為防護(hù)結(jié)構(gòu)中的吸能填充材料已被廣泛應(yīng)用于航天器的空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，并且實踐證明其具有良好的防護(hù)性能[15-16]。目前，空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與防護(hù)性能的工程評價是載人航天器總體設(shè)計中亟待解決的問題。為此，本研究將對玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行高速撞擊實驗，分析防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限速度，研究鋁球彈丸高速擊穿玄武巖纖維布和鋁板后未破碎時的剩余速度特性，進(jìn)而評價防護(hù)結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能。

1 高速撞擊實驗

實驗選用玄武巖纖維布和2A12 鋁板作為組合防護(hù)結(jié)構(gòu)中的防護(hù)層，5A06 鋁板作為模擬艙壁的后板，總防護(hù)間距為100 mm，后板厚度為3 mm。設(shè)計了3 種組合防護(hù)結(jié)構(gòu)：玄武巖纖維布-鋁板-鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)BAA）、鋁板-玄武巖纖維布-鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)ABA）和鋁板-鋁板-鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)AAA）。其中，2A12 鋁板厚度為0.5 mm，玄武巖纖維布的面密度為0.136 g/cm2，兩個防護(hù)層的間距為50 mm。同時進(jìn)行了前板為1 mm 厚2A12 鋁板、后板為3 mm 厚5A06 鋁板、間距為100 mm 的Whipple 防護(hù)結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)WAA）的撞擊實驗。上述4 種防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 實驗采用的防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Shield configuration in the test

實驗采用非火藥驅(qū)動的二級輕氣炮加速彈丸，一級驅(qū)動活塞的氣體為氮氣，二級加速彈丸和彈托的氣體為氫氣，利用氣動阻力實現(xiàn)彈托與彈丸分離。2017 鋁球彈丸直徑為3.97 mm，撞擊速度為1.49～3.65 km/s，撞擊角為0°，彈丸撞擊靶板前的運動速度用磁感應(yīng)方法測量，測量精度高于2%，靶艙內(nèi)壓力小于200 Pa。本研究針對上述4 種防護(hù)結(jié)構(gòu)共進(jìn)行了21 次高速撞擊實驗。

鋁球彈丸高速正撞擊防護(hù)結(jié)構(gòu)后，防護(hù)結(jié)構(gòu)中防護(hù)層的損傷模式與彈丸撞擊的先后次序有關(guān)。當(dāng)鋁板為首層時，其損傷為邊緣光滑的圓形穿孔；當(dāng)玄武巖纖維布為首層時，其穿孔邊緣較為規(guī)則平整，纖維絲拉伸現(xiàn)象不明顯。對于鋁板為第2 層的情況，當(dāng)撞擊速度較低時，其損傷為邊緣向后凹陷變形的近似圓形穿孔，當(dāng)撞擊速度較高時，其中心穿孔不再是邊緣光滑的圓孔，且穿孔周圍出現(xiàn)小彈坑。對于玄武巖纖維布為第2 層的情況，其中心穿孔邊緣出現(xiàn)明顯的纖維絲拉伸斷裂現(xiàn)象，且撞擊速度越大，纖維絲拉伸現(xiàn)象越顯著，同時中心穿孔周圍出現(xiàn)小穿孔。后板損傷模式隨撞擊速度的不同而有所區(qū)別，包括彈坑、背面剝落、不規(guī)則穿孔等。由于第1 防護(hù)層受到鋁球撞擊后的損傷模式差別不明顯，因此，只給出了第2 防護(hù)層和后板損傷的部分實驗結(jié)果，如圖2、圖3 和圖4 所示。表1 給出了不同防護(hù)結(jié)構(gòu)在不同撞擊速度下的后板損傷情況，其中：實驗編號后面的數(shù)字代表實驗序號，vp為彈丸撞擊速度。

表1 不同撞擊速度時防護(hù)結(jié)構(gòu)的后板損傷實驗結(jié)果Table 1 Experimental results of rear wall damage at different impact velocities

圖2 鋁板-玄武巖纖維布-鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊損傷結(jié)果Fig. 2 Damage results of composite shield of Al-plate/basalt fiber cloth/Al-plate at different impact velocities

圖3 玄武巖纖維布-鋁板-鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊損傷結(jié)果Fig. 3 Damage results of composite shield of basalt fiber cloth/Al-plate/Al-plate at different impact velocities

由圖2 和圖3 可以看出，當(dāng)實驗ABA-3 和BAA-2 的撞擊速度分別為1.70 和1.71 km/s 時，ABA-3 的后板失效模式為剝落穿孔，彈丸嵌在板中，如圖2(c)所示，而BAA-2 的后板失效模式為貫穿孔，如圖3(b)所示。當(dāng)實驗ABA-5 和BAA-3的撞擊速度分別為1.98 和1.96 km/s 時，ABA-5 和B A A-3 的后板穿孔等效面積圓直徑分別為5.14 和5.28 mm，BAA-3 的后板穿孔尺寸大于ABA-5 的后板穿孔尺寸。同時發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)BAA 的后板撞擊面上除中心穿孔或中心大彈坑外，周圍出現(xiàn)了一些較大彈坑，如圖3 所示；而結(jié)構(gòu)ABA 的后板撞擊面上中心穿孔或中心大彈坑周圍則無明顯較大彈坑，如圖2 所示。可見，在相同撞擊條件下，當(dāng)鋁球彈丸撞擊鋁板/玄武巖纖維布組合防護(hù)結(jié)構(gòu)后未發(fā)生破碎時，與結(jié)構(gòu)ABA 的后板撞擊損傷相比，結(jié)構(gòu)BAA 的后板損傷相對嚴(yán)重。另外，結(jié)構(gòu)AAA 的后板中心彈坑或中心穿孔周圍也同樣出現(xiàn)了一些較大彈坑，且結(jié)構(gòu)AAA 的第2 層鋁板中心穿孔周圍出現(xiàn)一些小彈坑或小穿孔 ，如圖4 所示。

圖4 鋁板-鋁板-鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊損傷結(jié)果Fig. 4 Damage results of shield of three Al-plates at different impact velocities

2 防護(hù)性能分析

2.1 鋁球彈丸擊穿玄武巖纖維布后的剩余速度

對于較薄的玄武巖纖維布，當(dāng)撞擊速度較高時，彈丸擊穿玄武巖纖維布所消耗的能量與彈丸撞擊動能相比是小量，因此式(10)可化簡為

式中：C1為常數(shù)。

由文獻(xiàn)[18]可知，直徑為3.97、4.76 和6.35 mm 的鋁球彈丸分別以2.43、2.38和2.43 km/s 的速度擊穿面密度為401 g/m2的玄武巖纖維布后的速度減小量分別為0.21、0.19和 0.14 km/s。這說明不同直徑的鋁球彈丸以相同的速度擊穿相同面密度的玄武巖纖維布時，彈丸直徑越大，彈丸速度減小量越小。同時文獻(xiàn)[18]的結(jié)果顯示，直徑為4.76 和6.35 mm 的鋁球彈丸分別以2.34 km/s的速度擊穿面密度為212 g/m2的玄武巖纖維布后的速度減小量分別為0.18 和0.12 km/s?？梢?，當(dāng)相同直徑的鋁球彈丸擊穿玄武巖纖維布時，玄武巖纖維布的面密度越大，彈丸速度減小量也越大。因此，上述實驗結(jié)果所反映的規(guī)律與式(15)描述的鋁球彈丸擊穿玄武巖纖維布后的速度減小量的變化規(guī)律一致。

2.2 鋁球彈丸擊穿組合防護(hù)屏后的剩余速度

鋁球彈丸擊穿玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)屏，即擊穿玄武巖纖維布和2A12 鋁板。當(dāng)鋁球彈丸擊穿鋁板后未發(fā)生破碎時，彈丸速度的變化規(guī)律與擊穿玄武巖纖維布后的情況不同。假設(shè)鋁板被撞飛的部分所受的阻力主要來自剪切應(yīng)力，同時忽略其他能量消耗，則形成彈孔所消耗的能量為

式中：C2為常數(shù)，由彈丸直徑、彈丸材料密度、鋁板材料密度和鋁板厚度決定。

對于玄武巖纖維布在前、鋁板在后的組合防護(hù)屏，彈丸首先擊穿玄武巖纖維布，根據(jù)式(16)，其剩余速度為vpr1=vp-C1。之后，未破碎的彈丸繼續(xù)擊穿鋁板，由式(19)得到其剩余速度為vrb=C2vpr1，則彈丸擊穿玄武巖纖維布-鋁板組合防護(hù)屏后的剩余速度為

對于鋁板在前、玄武巖纖維布在后的組合防護(hù)屏，彈丸首先擊穿鋁板，根據(jù)式(19)，其剩余速度為vpr1=C2vp。之后，未破碎的彈丸繼續(xù)擊穿玄武巖纖維布，由式(16)得到其剩余速度為vra=vpr1-C1，則彈丸擊穿玄武巖纖維布-鋁板組合防護(hù)屏后的剩余速度為

由于C2＜ 1，則C1＞C2C1，因此vra＜vrb，所以，鋁球彈丸未破碎時，與玄武巖纖維布后置時相比，彈丸擊穿玄武巖纖維布前置的組合防護(hù)屏后的剩余速度更大。

基于上述分析得到的彈丸擊穿玄武巖纖維布和鋁板后的剩余速度特性，分別針對玄武巖纖維布-鋁板、鋁板-玄武巖纖維布、鋁板-鋁板和單鋁板4 種防護(hù)屏，分析了玄武巖纖維布位置、撞擊參數(shù)等對鋁球彈丸擊穿防護(hù)屏后剩余速度的影響，其中，作為單防護(hù)屏的2A12 鋁板厚度為1.0 mm，雙層防護(hù)屏中的2A12 鋁板厚度為0.5 mm，玄武巖纖維布的面密度為0.136 g/cm2，兩個防護(hù)層的間距為50 mm。選用的2017 鋁球彈丸直徑分別為3.97 和4.76 mm，根據(jù)文獻(xiàn)[18]的實驗結(jié)果，鋁球彈丸擊穿玄武巖纖維布后的速度減小量近似取0.2 km/s。利用式(18)、式(20)和式(21)計算得到了彈丸分別擊穿上述防護(hù)屏后的剩余速度變化規(guī)律，如圖5、圖6 所示。

由圖5 可以看出，隨著撞擊速度vp的增加，彈丸擊穿玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)屏后的速度減小量Δv呈正比例線性增大，相對剩余速度vpr/vp呈非線性增大，而相對速度減小量Δv/vp呈非線性減小。當(dāng)撞擊速度不變時，對于相同的防護(hù)結(jié)構(gòu)，隨著彈丸直徑增大，彈丸擊穿防護(hù)屏后的速度減小量和相對速度減小量均減小，而彈丸相對剩余速度增大。同時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彈丸直徑和撞擊速度不變時，與鋁板前置時相比，玄武巖纖維布前置時的彈丸速度減小量和相對速度減小量更小，而相對剩余速度更大。這說明，在防護(hù)屏面密度相同的情況下，鋁板前置組合防護(hù)屏比玄武巖纖維布前置組合防護(hù)屏對鋁球彈丸具有更強的降速能力。由于在彈道段撞擊速度范圍內(nèi)，撞擊動能是造成后板損傷的主要因素，因此，彈丸剩余速度越小，對后板造成的撞擊損傷越輕。由此可知，在彈道段撞擊速度范圍內(nèi)，鋁板前置組合防護(hù)屏比玄武巖纖維布前置組合防護(hù)屏對鋁球彈丸的高速撞擊具有更好的防護(hù)性能。

圖5 彈丸擊穿玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)屏后的剩余速度與撞擊速度的關(guān)系Fig. 5 Relationships between impact velocity and residual velocity of projectile after penetrating basalt fiber cloth/Al-plate composite bumpers

由圖6 可以看出，在相同撞擊條件、相同防護(hù)屏面密度的情況下，與單鋁板防護(hù)屏相比，雙層鋁板防護(hù)屏可使彈丸的速度減小量和相對速度減小量更大，使彈丸的相對剩余速度更小。由鋁板對彈丸撞擊速度的減速特性可知，在彈道段撞擊速度范圍內(nèi)，鋁球彈丸擊穿鋁板防護(hù)屏后的相對剩余速度和相對速度減小量均近似為常數(shù)，如圖6(b)和圖6(c)所示。比較鋁球彈丸擊穿玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)屏和鋁板防護(hù)屏后的剩余速度發(fā)現(xiàn)，在彈道段撞擊速度范圍內(nèi)，當(dāng)撞擊速度較低時，玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)屏可使彈丸的速度減小量和相對速度減小量更大，使彈丸相對剩余速度更??；當(dāng)撞擊速度較高時，鋁板防護(hù)屏可使彈丸的速度減小量和相對速度減小量更大，使彈丸相對剩余速度更小。因此，玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)屏和鋁板防護(hù)屏適用于防護(hù)不同撞擊速度的鋁球彈丸。

圖6 彈丸擊穿不同組合防護(hù)屏后的剩余速度與撞擊速度的關(guān)系Fig. 6 Relationship between impact velocity and residual velocity of projectile after penetrating different composite bumpers

2.3 彈道極限速度比較

彈丸擊穿防護(hù)屏后未發(fā)生破碎時，防護(hù)屏使彈丸速度降低，彈丸以更低的速度撞擊后板。圖1 所示防護(hù)結(jié)構(gòu)的后板是厚度為3 mm 的5A06 鋁板，本研究利用二級輕氣炮發(fā)射直徑為3.18 mm 的2017 鋁球彈丸高速正撞擊該鋁板，獲得該鋁板發(fā)生穿孔失效的彈道極限速度為1.61 km/s，即該鋁板發(fā)生穿孔失效的臨界撞擊動能為62.47 J。當(dāng)彈丸和鋁板材料不變時，使一定厚度的鋁板剛好發(fā)生穿孔失效的彈丸臨界撞擊動能Eb近似為常數(shù)[20]。因此，可得到直徑為3.97 mm 的2017 鋁球彈丸高速正撞擊厚度為3 mm 的5A06 鋁板發(fā)生穿孔失效的彈道極限速度為1.17 km/s?；谠搹椀罉O限速度，針對圖1 所示的4 種防護(hù)結(jié)構(gòu)，利用式(18)、式(20)和式(21)對直徑為3.97 mm 的2017 鋁球彈丸高速正撞擊上述防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生穿孔失效的彈道極限速度進(jìn)行了預(yù)測，并與表1 所列實驗結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果見表2。表2 中：vcc為彈道極限速度的計算值，vce為彈道極限速度的實驗結(jié)果，δc為彈道極限速度的計算值與實驗結(jié)果的相對偏差。可見，彈道極限速度的計算值與實驗結(jié)果相一致。

由表2 中的實驗和計算結(jié)果可以看出：在彈道段撞擊速度范圍內(nèi)，鋁板-玄武巖纖維布-鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限速度大于玄武巖纖維布-鋁板-鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限速度，而鋁板-鋁板-鋁板防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限速度大于鋁板Whipple 防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限速度。

表2 彈道極限速度的計算值和實驗結(jié)果Table 2 Calculated and experimental results of ballistic limit velocity

3 結(jié) 論

(1) 在彈道段撞擊速度范圍內(nèi)，相同直徑的鋁球彈丸以不同的速度擊穿相同面密度的玄武巖纖維布時，彈丸的速度減小量近似為常數(shù)。

(2) 在彈道段撞擊速度范圍內(nèi)，鋁球彈丸直徑越大，彈丸擊穿相同面密度的玄武巖纖維布后的速度減小量越??；當(dāng)彈丸直徑不變時，玄武巖纖維布的面密度越大，彈丸的速度減小量越大。

(3) 在彈道段撞擊速度范圍內(nèi)，當(dāng)組合防護(hù)屏的面密度相同時，鋁板前置的玄武巖纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)比玄武巖纖維布前置的組合防護(hù)結(jié)構(gòu)具有更好的高速撞擊防護(hù)性能。