航天器透明材料超高速撞擊特性試驗(yàn)研究

施麗銘,姜超,陳燕,張萃,鄭世貴

（北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094）

1 引言

航天器在地球軌道飛行中,必然會遭遇到空間碎片和微流星的撞擊,空間碎片撞擊航天器的平均相對速度為10km/s,撞擊速度可達(dá)15km/s,微流星撞擊航天器的平均相對速度為20km/s,撞擊速度可達(dá)72km/s,空間碎片和微流星嚴(yán)重威脅著在軌航天器的安全。近年來,航天器舷窗玻璃等關(guān)鍵暴露組件發(fā)生了多起被撞擊事件。空間碎片的防護(hù)得到了航天業(yè)界的重視,目前在航天器艙體上大多采用Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)或填充式防護(hù)結(jié)構(gòu)對艙體進(jìn)行被動防護(hù)。在空間碎片防護(hù)中采用的防護(hù)材料有鋁板、Nextel纖維布、凱夫拉 （Kevlar）纖維布、Beta布等,而對于舷窗等有透光或觀察功能要求的透明結(jié)構(gòu),現(xiàn)有的防護(hù)結(jié)構(gòu)無法滿足上述要求。

為滿足航天器在軌的透光、觀察、照相等需求,航天器采用透明材料提供清晰的觀察視界。透明材料一般具有良好的光學(xué)特性,并兼具一定的綜合力學(xué)特性,可以承受一定的載荷作用。但與傳統(tǒng)金屬或非金屬復(fù)合材料相比,透明材料諸如破壞強(qiáng)度、斷裂韌性等力學(xué)性能遠(yuǎn)小于鋁合金等材料。同時,透明材料性能較脆,對缺口非常敏感,裂紋擴(kuò)展速率高,在軌可能會發(fā)生突然爆裂的事故,影響航天器及航天員的安全。

目前航天器中用到透明材料的主要產(chǎn)品包括觀察舷窗、航天服面窗、相機(jī)等,常用的透明材料有PC（聚碳酸酯）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、石英玻璃、硅酸鹽玻璃等。對于透明材料超高速撞擊下的防護(hù)性能,目前國內(nèi)外研究的較少,試驗(yàn)材料不全面或僅僅進(jìn)行了仿真分析研究,缺乏有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)。David Davison等人提出了熔融石英玻璃新的狀態(tài)方程,綜合使用SPH（光滑粒子算法）和Lagrange算法對熔融石英玻璃在彈丸超高速撞擊下的變形及破壞特征進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析結(jié)果表明高能撞擊的模擬結(jié)果則與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定誤差。龐賀偉等人利用18mm口徑二級輕氣炮和激光驅(qū)動微小飛片裝置對航天器舷窗的熔融石英玻璃進(jìn)行了超高速撞擊損傷特性實(shí)驗(yàn)研究和分析,初步獲得了12mm熔融石英玻璃侵徹深度、侵徹直徑與彈丸撞擊速度、彈丸質(zhì)量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

本文針對PC、PMMA、某硼硅酸鹽耐輻照玻璃 （下文簡稱耐輻照玻璃）等不同材料、不同厚度開展了撞擊特性研究,對各材料完成了撞擊性能評估,對透明結(jié)構(gòu)設(shè)計及空間碎片防護(hù)方案的確定提供了有力支撐。

2 試驗(yàn)裝置及方法

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)抗空間碎片的撞擊特性,一般采用超高速撞擊試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。超高速碰撞試驗(yàn)裝置包括發(fā)射系統(tǒng)、測速系統(tǒng)和靶室/真空系統(tǒng)等三大分系統(tǒng),試驗(yàn)采用中國空氣動力研究與發(fā)展中心的二級輕氣炮,試驗(yàn)裝置如圖1所示。該發(fā)射系統(tǒng)的作用是將彈丸發(fā)射到試驗(yàn)所需的速度,實(shí)現(xiàn)彈丸對靶材的撞擊,其穩(wěn)定發(fā)射速度達(dá)7km/s,可以較好地模擬空間碎片的撞擊。測速系統(tǒng)用來測量彈丸撞靶前的飛行速度,包括激光探測器和測速計算機(jī),其原理是利用彈丸飛越測試區(qū)域時對激光束的遮擋效應(yīng)來記錄彈丸到達(dá)各測試站的時間,并由此計算出彈丸的飛行速度。靶室內(nèi)部安裝用于固定靶材的靶架,真空系統(tǒng)用于在靶室內(nèi)形成真空環(huán)境,降低彈丸飛行時的氣動阻力。

圖1 超高速碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)主要裝置Fig.1 Main devices of hypervelocity impact test system

3 試驗(yàn)狀態(tài)及條件

試驗(yàn)件構(gòu)型如圖2所示,觀測屏為1mm厚5A06鋁板。為驗(yàn)證不同透明材料結(jié)構(gòu)的性能,選用的試驗(yàn)件類型及參數(shù)見表1。試驗(yàn)時選用的彈丸為實(shí)心球體,材料為2A12鋁合金,彈丸直徑范圍1.0～3.0mm,直徑間隔0.25mm。撞擊時,彈丸垂直撞擊試驗(yàn)件。根據(jù)空間碎片典型撞擊速度、試驗(yàn)設(shè)備的性能以及防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊極限曲線特征,彈丸標(biāo)稱撞擊速度設(shè)定為3.7km/s和6.3km/s兩種。

表1 透明材料試驗(yàn)件參數(shù)Table 1 Parameters of transparent material test piece

圖2 試驗(yàn)件組成Fig.2 Composition of test piece

4 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

采用超高速碰撞靶試驗(yàn)系統(tǒng)對表1中的試驗(yàn)件進(jìn)行了超高速撞擊試驗(yàn),試驗(yàn)過程中對彈丸、撞擊試驗(yàn)件進(jìn)行監(jiān)視,確保彈丸在撞擊試驗(yàn)件前完整且為球形,且彈丸撞擊在試驗(yàn)件合理區(qū)域內(nèi)。撞擊完成后對撞擊試驗(yàn)件進(jìn)行檢查,確認(rèn)除彈丸外沒有其它物質(zhì)撞擊到試驗(yàn)件上或其它物體的撞擊經(jīng)判斷不會影響到彈丸的撞擊效果時,試驗(yàn)結(jié)果才有效。經(jīng)對試驗(yàn)件進(jìn)行檢查確認(rèn),各材料有效試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2可以看出,各厚度PC材料均未被完全擊穿,部分PMMA材料和耐輻照玻璃被擊穿并形成彈坑。同時,對各材料被擊穿后的形式進(jìn)行了對比,各材料典型失效形式如圖3—圖5所示,圖中三種材料的厚度分別為7mm、7mm、9mm。

表2 透明材料超高速撞擊試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of hypervelocity impact test on transparent material

對比圖3—圖5等各材料的破壞形式可以發(fā)現(xiàn);PC材料均未被完全擊穿,正面彈坑φ1.8～4.3mm,彈坑邊沿突起,表面未見明顯裂紋,內(nèi)部存在φ16～25mm的裂紋區(qū),背面頂端有局部崩落,不同厚度試驗(yàn)件在不同工況下破壞形式相同。被擊穿的PMMA材料被擊穿并形成彈坑,彈坑直徑φ1.3～3.1mm;未被擊穿的PMMA材料表面同樣有彈坑,但深度未貫穿整個厚度。PMMA材料正面彈坑邊沿均有突起,表面未見明顯裂紋,內(nèi)部存在φ15～38mm的裂紋區(qū)。耐輻照玻璃無論是否被擊穿,表面彈坑處有φ50～90mm的密集裂紋區(qū),放射狀裂紋區(qū)貫穿整個試件且裂成碎塊。背面無玻璃碎片剝落,密集裂紋區(qū)和放射狀裂紋區(qū)同正面,不同厚度試驗(yàn)件在不同工況下破壞形式相同。不同的破壞形式是由材料特性決定的,PC、PMMA均為高分子聚合物,其分子間結(jié)合力強(qiáng)、韌性高,而耐輻照玻璃為無機(jī)物,為脆性材料。

圖3 PC材料超高速撞擊后的損傷圖Fig.3 Photos of PC material after hypervelocity impact

圖4 PMMA材料超高速撞擊后的損傷圖Fig.4 Photos of PMMA material after hypervelocity impact

圖5 耐輻照玻璃超高速撞擊后的損傷圖Fig.5 Photos of anti-irradiation glasses after hypervelocity impact

以擊穿為失效準(zhǔn)則,對超高速撞擊試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和處理,并與1.5mm厚5A06鋁板的彈道極限進(jìn)行分析對比如圖6所示,極限數(shù)值對比見表3所示。

表3 透明材料與1.5mm厚5A06鋁板彈道極限Table 3 Ballistic limit of transparent material and 1.5mm 5A06 aluminum alloy plate

圖6 透明材料與1.5mm厚5A06鋁板彈道極限曲線Fig.6 Ballistic limit curve of transparent material and 1.5mm 5A06 aluminum alloy plate

通過以上試驗(yàn)結(jié)果,可以得到以下結(jié)論：

①對比本文所選三種透明材料與1.5mm厚5A06鋁板,三種透明材料超高速撞擊下的防護(hù)性能均強(qiáng)于1.5mm厚5A06鋁板。

②PC材料的防護(hù)能力強(qiáng)于PMMA和耐輻照玻璃。

③若以材料是否被擊穿為準(zhǔn)則,本次試驗(yàn)?zāi)洼椪詹ＡУ姆雷o(hù)性能與PMMA相當(dāng);若以材料是否整體破碎為準(zhǔn)則,則耐輻照玻璃的防護(hù)能力很差。耐輻照玻璃被擊中后會出現(xiàn)密集裂紋區(qū)和放射狀裂紋區(qū);密集裂紋區(qū)直徑約為彈丸直徑的22～48倍,放射狀裂紋區(qū)貫穿整個試件,且試件裂成多個碎塊。

④撞擊后PC材料、PMMA材料都能保持完整,無整體裂紋,相比耐輻照玻璃有更高的韌性。PC材料的損傷區(qū)域直徑約為彈丸直徑的8～13倍;PMMA材料的損傷區(qū)域直徑約為彈丸直徑的6～25倍。

⑤各材料隨著厚度增加,防護(hù)能力都有提升。

5 結(jié)語

為滿足透明結(jié)構(gòu)空間碎片防護(hù)的需求,本文對透明材料的撞擊特性驗(yàn)證方法進(jìn)行了介紹,針對PC、PMMA、耐輻照玻璃等材料進(jìn)行了超高速撞擊試驗(yàn)驗(yàn)證,通過驗(yàn)證獲得了不同玻璃在超高速撞擊后的破壞形式、缺陷大小等,并與5A06鋁合金的防護(hù)性能進(jìn)行了對比,獲得了不同材料的彈道極限。研究表明,如果以材料是否整體破碎為準(zhǔn)則,則耐輻照玻璃的防護(hù)能力很差;如果以材料是否被擊穿為準(zhǔn)則,本次試驗(yàn)采用的透明材料均有較好的防護(hù)性能,防護(hù)能力均強(qiáng)于1.5mm厚5A06鋁板,PC材料的防護(hù)能力強(qiáng)于PMMA,PMMA的防護(hù)能力與耐輻照玻璃相當(dāng)。

本文的工作獲得了典型透明材料超高速撞擊下的特性及材料彈道極限,為透明結(jié)構(gòu)空間碎片的防護(hù)設(shè)計提供了有效的參考。