材料界面效應對防護結構性能的影響

柯發(fā)偉，文雪忠，鄒勝宇，黃潔

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所，綿陽 621000）

1 引言

隨著航天活動的日益頻繁，空間碎片的數(shù)量顯著增加，嚴重威脅著在軌航天器的安全運行。為了實現(xiàn)航天器在軌長時間安全運行，需要提高其抵抗空間碎片撞擊的性能。1947 年提出的Whipple 防護結構改進型[1]在航天器上廣泛應用。緩沖屏采用梯度材料[2-4]和復合材料[5,6]，可提高其破碎、擴散碎片云的性能，其內(nèi)在機理均與材料內(nèi)的界面效應有關[7]；目前廣泛使用的填充式防護構型，不同纖維材料[8-13]、纖維布組裝方式[12]、支撐結構[14]對防護性能的影響，可能也與填充層結構中材料的界面效應相關。

材料界面效應是指材料界面對材料、結構力學性能的影響，獲得材料界面效應對超高速過程的影響，對開展空間碎片防護構型優(yōu)化設計具有指導意義。超高速撞擊過程持續(xù)時間短，材料界面效應對超高速撞擊過程的影響很難直接測量，通常根據(jù)撞擊過程的碎片云運動特征、沖擊波傳播特性和撞擊后損傷特性進行分析，界面效應在數(shù)值仿真中較難直接模擬。

結合文獻中的試驗結果，本文分析了防護構型的緩沖屏、填充層、后墻中的界面效應對防護結構性能的影響，開展了驗證試驗。研究結果為防護構型的設計、加工、裝配等改進優(yōu)化提供參考。

2 緩沖屏中材料界面效應對防護性能的影響

沿彈丸撞擊方向，梯度材料的前面為密度大、硬度大、波阻抗梯度大的材料，后面為密度小、硬度小、波阻抗梯度小的材料，兩種不同的材料之間存在界面。根據(jù)光從光密介質(zhì)傳入光疏介質(zhì)時發(fā)生的全反射現(xiàn)象，彈丸撞擊緩沖屏產(chǎn)生沖擊波傳播到梯度材料的界面時，沖擊波在界面發(fā)生反射、透射。沖擊波反射有利于形成更多的反濺碎片，較單一材料的均質(zhì)緩沖屏材料，梯度材料的緩沖屏材料上穿孔尺寸會更大、穿孔邊緣的花瓣狀翻邊會更明顯。在不考慮其它因素影響的情況下，沖擊波在兩種材料界面的折射率越大，越有利于提高防護性能。

復合材料的加工工藝及材料的結構穩(wěn)定性影響其防護性能[15]，梯度材料加工工藝也影響其防護性能，與傳統(tǒng)的鋁合金板緩沖屏相比，梯度材料制備成本較高，制約了梯度材料在航天器防護構型中的廣泛應用。為了驗證同一種緩沖屏材料中的界面效應對彈丸撞擊過程的影響，分別選用2.0mm 單層鋁板（對應構型1-1）、1.0mm+1.0mm 雙層緊貼鋁板（對應構型1-2）作為防護構型的緩沖屏，在距離緩沖屏背面66.5mm位置處為2.5mm 厚的后墻。防護構型的材質(zhì)均為Al6061-T4。撞擊參數(shù)及靶材損傷參數(shù)見表1，d、V分別為彈丸直徑和撞擊速度；靶材損傷圖像對比如圖1和圖2所示。

圖1 緩沖屏損傷對比Fig. 1 Damage comparison of the bumper

圖2 后墻損傷對比Fig. 2 Damage comparison of the rear wall

表1 試驗撞擊參數(shù)及靶材損傷參數(shù)對比Table 1 Comparison of test impact parameters and target damage parameters

與一層2.0mm 厚鋁板相比，雙層緊貼鋁板（1.0mm+1.0mm）內(nèi)部存在一個界面，該界面影響了彈丸撞擊穿透緩沖屏的過程，撞擊產(chǎn)生的沖擊波在兩層鋁板界面處反射、折射和透射，兩層鋁板的界面處發(fā)生明顯碎片濺射痕跡，同時緩沖屏第一層鋁板的正面和第二層鋁板的背面均出現(xiàn)明顯卷邊，兩層鋁板的穿孔尺寸均大于2.0mm 厚鋁板的穿孔尺寸。

撞擊速度7～8km/s 時，隨著撞擊速度的增大，Whipple 防護結構的臨界彈丸直徑增大[16]。防護構型1-1 和1-2 后墻損傷程度相當，后者損傷程度輕一些。結合撞擊速度的差異，1.0mm+1.0mm 鋁板的破碎彈丸、擴散碎片云的性能優(yōu)于2.0mm 厚鋁板。在本文開展的試驗條件下，后墻距離緩沖屏的距離較近，不利于碎片云的擴散，增大緩沖屏和后墻之間的空間距離，兩層鋁板之間的界面對碎片云擴散效應的影響可能體現(xiàn)出來。

3 填充層結構界面效應對防護性能的影響

結合文獻[12]、[14]、[17]、[18]中試驗結果，分析填充層結構中多種界面效應對防護性能的影響。

3.1 填充層各層材料接觸界面

空間碎片撞擊緩沖屏形成的碎片云通常不規(guī)則、翻滾向前運動，碎片云碰撞填充層過程中產(chǎn)生的沖擊波，分別向填充層結構和碎片內(nèi)部傳播，各層填充結構之間存在間隙，沖擊在相鄰兩層填充層材料之間會產(chǎn)生反射和透射，反射沖擊波繼續(xù)與碎片作用，有利于碎片的破碎、動能耗散。文獻[18]試驗結果表明，直徑5mm 鋁球以4.9km/s的速度撞擊1mm厚的鋁緩沖屏形成的碎片云再撞擊材料、面密度和位置均相同的填充層材料，材料層數(shù)不同的填充層結構時，填充層結構攔截碎片云的性能不同。

填充層為4 層聚酯膜對應的后墻未穿孔，背面剝落約φ1mm、鼓包高度6.90mm；填充層為35層聚酯膜對應的后墻未穿孔，背面無剝落、鼓包高度5.46mm，對應的后墻背面損傷如圖3 所示。填充層材料密度一定時，隨著聚酯膜層數(shù)增加，填充層材料表面積增加，其內(nèi)部的界面增多，各層材料之間的間隙造成填充層材料的整體厚度增加，提高了碎片云與填充層材料接觸界面和作用時間，可耗散碎片云的更多動能，碎片云穿過填充層結構后的損傷能力下降，所以防護構型的后墻鼓包高度減小。

圖3 填充層材料層數(shù)對后墻損傷的影響[18]Fig. 3 Influence of number of stuffed material layers on the damage of rear wall[18]

纖維填充層結構通常采用圖4 所示的固定結構，填充層的夾緊可能影響其防護性能。文獻[18]試驗結果表明，直徑5mm 鋁球以4.7km/s的速度撞擊1mm 厚的鋁緩沖屏形成的碎片云再撞擊面密度、材料層數(shù)、位置均相同的多層隔熱材料（MLI），夾緊方式不同的填充層攔截碎片云的性能不同。夾緊的50 層MLI 對應的后墻穿孔φ1.45mm，背面鼓包高度5.61mm；懸貼50 層MLI 對應的后墻臨界穿孔，背面鼓包高度3.22mm。采用夾具將MLI 夾緊后，MLI 的變形空間變小，減弱了MLI 內(nèi)部的界面效應，MLI 的拉升變形界面被約束，不利于填充層材料耗散碎片云動能，造成后墻的損傷加重。多層隔熱材料懸貼時各層材料處于自由狀態(tài)，增加了填充層材料的界面效應，同時有利于填充材料拉伸、變形耗散碎片云動能。

圖4 填充層固定框架Fig. 4 Fixture of the stuffed layer

防護構型填充層結構面密度一定時，增加填充層材料層數(shù)可增加填充層材料之間界面效應；懸貼裝配填充層材料可保證各層材料之間的界面以及各層材料的拉升變形界面，應避免將多層材料組成的填充層材料裝配過緊。

3.2 填充層梯度材料界面

目前廣泛使用的填充式防護構型中，沿空間碎片撞擊方向依次為陶瓷纖維布和芳綸纖維布。碎片云碰撞填充層過程中產(chǎn)生的沖擊波，分別向填充層材料和碎片內(nèi)部傳播，填充層材料中的沖擊波傳播到陶瓷纖維與芳綸纖維的界面時，由于陶瓷的波阻抗大于芳綸纖維，根據(jù)波的全反射定律可知，在兩種纖維材料界面會產(chǎn)生明顯的反射沖擊波，反射沖擊有利于碎片的破碎和動能耗散。同時，陶瓷纖維和芳綸結構拉升變形可以耗散碎片云動能。填充層材料面密度相同時，6 層交替的玄武巖和芳綸布的防護性能優(yōu)于3 層玄武巖+1 層芳綸布[17]，其機理在于前者材料的層數(shù)增多以及交替放置的方式，增加了填充材料的界面效應，其防護性能較高；對纖維填充層結構分別粘貼和縫紉的方式均造成防護性能降低[17]，這與填充層材料被約束后材料界面減少相關。填充層結構中陶瓷纖維和芳綸纖維裝配在一起，是一種復合結構材料，材料內(nèi)部存在界面。陶瓷纖維和芳綸纖維分開無接觸，造成防護性能下降[12]，這與復合材料的界面效應消失有關。

目前使用的陶瓷纖維布在前、芳綸纖維布在后的填充式防護構型，應該改進為陶瓷纖維布和芳綸纖維布交替放置的方式。

3.3 碎片云表面與填充層材料之間界面

采用密度86kg/m3的海綿進行減速超高速模型撞擊試驗時，超高速模型表面與海綿的摩擦作用對模型的減速起到了重要作用[19]。對于不規(guī)則形狀的碎片云，碎片云在填充層中減速運動時，碎片云表面與填充層材料之間存在界面。采用密度410kg/m3的木頭作為填充層，其防護性能優(yōu)于相同面密度的鋁板、陶瓷纖維等[20]，在纖維填充層和后墻之間支撐的密度約20kg/m3泡沫[12]、海綿[18]有效地減速攔截碎片云、防護構型后墻未穿透，其內(nèi)在機理之一就是填充層材料的密度降低、厚度增加，增加了不規(guī)則碎片與填充層的作用時間和減速效果。

對于面密度一定的填充式防護構型，采用低密度的材料、增加厚度，可增加不規(guī)則碎片與填充層的作用時間，實現(xiàn)對碎片的有效減速攔截。

3.4 填充層與后墻之間空間界面

填充層結構與后墻之間的空間距離是一個有效界面，起到了阻止沖擊波傳播的作用，所以填充層與防護構型后墻之間應存在一定的距離。將填充層材料和后墻之間填充滿[12,18]，碎片云撞擊填充層結構過程產(chǎn)生的沖擊波傳播到后墻，對后墻的沖擊損傷加重；將填充層材料裝配在后墻表面時，限制了填充層材料的拉伸、變形，攔截破碎碎片云的防護性能下降[18]，如圖5所示。

圖5 填充層結構夾緊對后墻損傷的影響[18]Fig. 5 Influence of clamped stuffed layer structure on damage of rear wall[18]

在航天器防護構型中使用纖維填充層時，需采用鋁合金框及連接機構對其進行固定、支撐，這樣會造成防護構型的總重量增加約35%[21]。為了降低填充層結構的附加重量，同時保證填充層和后墻之間的有效界面，填充層和后墻之間布置的支撐結構應該重量輕、有利于碎片云動能耗散。填充層的支撐結構應該選用非金屬材料，避免使用金屬材料，當碎片云撞擊填充層結構后形成的二次碎片撞擊后墻（艙壁）造成穿孔后，支撐結構材料破碎后進入航天器艙壁內(nèi)，容易造成航天器內(nèi)部的電纜、數(shù)據(jù)線、射頻線等破損、短路，加速航天器的功能降階，甚至失效。

4 后墻材料中界面效應對防護性能的影響

文獻[22]通過試驗研究了防護構型空間距離相同，四種面密度相同的后墻結構：木頭貼合2.0mm 厚鋁板，聚氨酯泡沫貼合1.5mm 厚鋁板，氣凝膠貼合2.0mm厚鋁板、2.5mm厚鋁板。研究表明前三種后墻的防護性能均優(yōu)于2.5mm厚的鋁板。文獻[23]通過試驗和數(shù)值仿真研究了1mm+2mm厚鋁板、2mm+1mm 厚鋁板、3mm 厚鋁板作為后墻攔截碎片的性能，結果表明前兩者的性能均優(yōu)于3mm厚鋁板。

與單一的后墻結構相比，材料貼合組成的后墻[22,23]可提高防護性能，其內(nèi)在機理也與材料的界面效應有關。貼合組成的后墻結構的材料之間存在界面效應，可有效耗散碎片云撞擊后墻產(chǎn)生的沖擊波，減輕沖擊波對后墻背面的損傷。防護構型后墻（艙壁）厚度是航天器結構尺寸、強度設計等綜合考慮確定，一般不宜輕易改變其厚度和結構。

5 結論

防護構型中的材料界面效應可提高其抗空間碎片撞擊的性能，通過優(yōu)化設計可實現(xiàn)更多的材料界面。在緩沖屏結構內(nèi)部增加界面效應，可提高彈丸的破碎程度和擴散角；填充層結構采用低密度的材料可增加材料厚度，增加填充層材料層數(shù)、懸貼裝配，波阻抗大的材料放置在前面、不同波阻抗材料交替放置，均可增加填充層材料內(nèi)部的界面效應，耗散更多的碎片云動能；在航天器艙壁表面涂敷非金屬材料增加界面效應，減輕艙壁背面的損傷。