文雪忠, 柯發(fā)偉, 陳 萍, 馬兆俠, 黃 潔

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

航天器運行軌道附近存在大量高速運動的空間碎片，而空間碎片撞擊到航天器時將會對航天器造成損傷，嚴重時將造成航天器失靈甚至解體。因此，防護結(jié)構(gòu)是抵御無法跟蹤監(jiān)測的小尺寸空間碎片撞擊的重要屏障，是保障航天器在軌安全的重要部件。航天器的防護結(jié)構(gòu)設(shè)計一直是航天器防護研究中的一項重要內(nèi)容。

1947年F.L.Whipple巧妙利用了先破碎彈丸再利用空間距離使撞擊能量分散的思想，提出了Whipple防護結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)和相同面密度的單層板相比，大幅度提高了撞擊彈丸破碎后(3km/s以上)的彈道極限。到目前為止，在Whipple防護結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，已發(fā)展了多種防護結(jié)構(gòu)，如改進型Whipple防護結(jié)構(gòu)[1-3]、填充型防護結(jié)構(gòu)[4-6]、多層沖擊防護結(jié)構(gòu)[7-8]等，使防護結(jié)構(gòu)的彈道極限進一步提高，基本原理依然是使彈丸破碎更充分、使撞擊能量散布區(qū)域更大、使吸收的碎片能量更多等。

分析各類防護結(jié)構(gòu)的彈道極限發(fā)現(xiàn)，防護結(jié)構(gòu)在正撞擊下的彈道極限在大部分速度區(qū)域內(nèi)都小于斜撞擊下的彈道極限[9]?；谶@一特點考慮，將多層防護結(jié)構(gòu)的中間層進行傾斜來提高防護結(jié)構(gòu)的彈道極限是可能的。1990年W.Schonberg提出的波紋防護結(jié)構(gòu)在一定程度上也證明了這一點。波紋防護結(jié)構(gòu)利用斜撞擊下波紋組合層對撞擊碎片的限制作用，顯著提升了斜撞擊條件下的彈道極限；但這種結(jié)構(gòu)和非波紋結(jié)構(gòu)相比，在正撞擊條件下后板的穿透情況卻無明顯差別，僅僅是碎片撞擊分布區(qū)域相對較小[1]。

從防護結(jié)構(gòu)在斜撞擊條件下的彈道極限高于正撞擊條件下彈道極限這一特性考慮，提出了一種把3層防護結(jié)構(gòu)的中間層進行傾斜形成N型防護結(jié)構(gòu)來提高防護性能的思路。在文獻[10-11]的基礎(chǔ)上，通過開展進一步的試驗和仿真研究，定量分析了N型防護結(jié)構(gòu)和相同面密度的3層平行鋁板防護結(jié)構(gòu)防護性能的差異。

一般情況下，空間碎片與航天器防護結(jié)構(gòu)的撞擊為斜撞擊，因此從工程應用的角度考慮，全面考核防護結(jié)構(gòu)在不同撞擊角度、不同撞擊速度、不同撞擊位置下的防護性能，特別是斜撞擊條件下的防護性能是必要的。但全面考核防護結(jié)構(gòu)的性能涉及的工作量大，本文目的只是初步論證中間層斜置對防護結(jié)構(gòu)性能的影響，因此利用超高速碰撞試驗和數(shù)值仿真兩種手段，重點分析對比正撞擊條件下(且撞擊位置處于N型防護結(jié)構(gòu)中心)，N型防護結(jié)構(gòu)與3層平行鋁板結(jié)構(gòu)的防護性能差異。

1 N型防護結(jié)構(gòu)設(shè)計

從文獻[9]給出的幾種防護結(jié)構(gòu)彈道極限可以看出，在其它撞擊參數(shù)相同的情況下，撞擊角度增大時，防護結(jié)構(gòu)在高速區(qū)的彈道極限隨之增大，而在中速區(qū)，存在斜撞擊下的彈道靶極限小于正撞擊的情況，這種情況在文獻[12]的實驗結(jié)果中亦有體現(xiàn)，這是由于相同速度下彈丸在斜撞擊下的破碎程度低于正撞擊下的破碎程度引起。

為此，提出把多層防護結(jié)構(gòu)的中間層進行傾斜放置，在提高防護結(jié)構(gòu)高速區(qū)防護性能的同時，若能不減弱彈丸正撞擊下的破碎效應，則可以使防護結(jié)構(gòu)在中速區(qū)的防護性能也得到進一步提高?；谶@種設(shè)計思路，以3層平行鋁板結(jié)構(gòu)為例(圖1)，通過把防護結(jié)構(gòu)中的第2層鋁板調(diào)整成一定角度，形成N型防護結(jié)構(gòu)(圖2)。

圖1 3層平行鋁板防護結(jié)構(gòu)

圖2 N型防護結(jié)構(gòu)

當彈丸正撞擊3層平行鋁板結(jié)構(gòu)時，撞擊第1層鋁板后破碎形成的、動量較大的碎片主要集中在彈丸飛行彈道附近。這部分碎片以接近正撞擊的狀態(tài)穿透第2層鋁板后，形成的碎片依然集中在彈丸飛行彈道附近。因此后板被這些碎片撞擊所造成的損傷(鼓包或穿孔)也將集中在彈丸飛行彈道附近。

當彈丸正撞擊N型防護結(jié)構(gòu)時，彈丸撞擊穿透第1層鋁板后破碎形成的、動量較大的碎片同樣集中在彈丸飛行彈道附近，但這部分碎片撞擊第2層鋁板時，不再是接近正撞擊的狀態(tài)，而是撞擊角度接近第2層鋁板傾角的斜撞擊狀態(tài)。這些碎片斜撞擊穿透第2層鋁板后，動量較大的碎片將進一步分散，不再集中在彈丸飛行彈道附近。因此后板被這些碎片撞擊所造成的損傷面積將進一步增大，但損傷程度(鼓包高度、穿孔情況等)將會減弱。

利用超高速碰撞試驗和數(shù)值仿真兩種手段，分析對比了相同參數(shù)的正撞擊條件下，面密度相同的3層平行鋁板結(jié)構(gòu)和N型防護結(jié)構(gòu)后板的損傷情況，分析檢驗了把防護結(jié)構(gòu)的中間層進行傾斜后，進一步提升結(jié)構(gòu)防護性能的可能性。

2 超高速碰撞試驗及結(jié)果分析

試驗在中國空氣動力研究與發(fā)展中心的超高速碰撞靶[13](圖3)上開展。

圖3 超高速碰撞靶

彈丸為不同直徑的2A12鋁球，靶材為3層平行鋁板結(jié)構(gòu)和N型防護結(jié)構(gòu)。3層平行鋁板結(jié)構(gòu)的第1、3層分別為1mm和2mm厚的2A12鋁板，第2層為1mm厚的1100純鋁，相鄰鋁板間距為50mm，如圖1所示。N型防護結(jié)構(gòu)的第1、3層分別為1mm和2mm厚的2A12鋁板，第2層為0.8mm厚的1100純鋁，第2層鋁板與第1、3層鋁板的夾角為36.8°(第2層鋁板厚度和傾角的選取，滿足兩種防護結(jié)構(gòu)面密度相同的原則)，相鄰鋁板中心間距為50mm，如圖2所示。

針對兩種防護結(jié)構(gòu)，開展了兩組不同撞擊速度的超高速碰撞試驗，試驗狀態(tài)和試驗后兩種防護結(jié)構(gòu)后板的損傷情況如表1所示。

表1 試驗狀態(tài)及后板損傷情況

在彈丸直徑為4.0mm、撞擊速度約為3km/s的正撞擊條件下，兩種結(jié)構(gòu)的后板均未出現(xiàn)穿孔，3層平行鋁板結(jié)構(gòu)的后板背面出現(xiàn)一個直徑約5mm的鼓包和4個直徑約2mm的鼓包，而同等面密度的N型防護結(jié)構(gòu)后板背面只出現(xiàn)一個直徑約4mm的鼓包，如圖4所示。

在彈丸直徑為5.5mm、撞擊速度約為4.8km/s的正撞擊條件下，3層平行鋁板結(jié)構(gòu)后板上出現(xiàn)一個直徑約2mm的穿孔，碎片損傷區(qū)為圓形區(qū)域，鼓包高度約為11.33mm(以鋁板背面4個固定孔所在的平面為基準)；N型防護結(jié)構(gòu)后板上未出現(xiàn)穿孔，碎片損傷區(qū)約為橢圓區(qū)域，鼓包高度約7.66mm(以鋁板背面4個固定孔所在的平面為基準)，如圖5所示。

試驗結(jié)果顯示，相同撞擊參數(shù)下N型防護結(jié)構(gòu)后板上的損傷程度明顯小于3層平行結(jié)構(gòu)后板的損傷程度。試驗初步驗證了在正撞擊條件下，將中間層進行傾斜可在一定程度上提升多層防護結(jié)構(gòu)的防護性能。

(a) 3層平行鋁板結(jié)構(gòu)(Ф=4.0mm, V=2.96km/s)

(b) N型防護結(jié)構(gòu)(Ф=4.0mm, V=3.00km/s)

(a) 3層平行鋁板結(jié)構(gòu)(Ф=5.5mm, V=4.80km/s)

(b) N型防護結(jié)構(gòu)(Ф=5.5mm, V=4.81km/s)

3 數(shù)值仿真及結(jié)果分析

3.1數(shù)值仿真

采用AUTODYN有限元軟件平臺建立彈丸和防護結(jié)構(gòu)的SPH(光滑粒子流體動力學)3D仿真模型。模型采用Z軸對稱方式，彈丸和靶材的材料狀態(tài)方程均采用Shock模型，第1、3層鋁板的強度模型采用Johnson Cook模型，第2層鋁板的強度模型采用Steinberg Guinan模型。

3層平行鋁板結(jié)構(gòu)仿真模型：第1、2、3層鋁板的厚度分別為1、1和2mm，第1層鋁板的尺寸為20mm×10mm，第2、3層鋁板的尺寸均為60mm×30mm，相鄰鋁板間距為50mm。

N型防護結(jié)構(gòu)仿真模型：第1層鋁板厚度為1mm，尺寸為20mm×10mm；第2層鋁板厚度為0.8mm，尺寸為80mm×40mm，與第1層鋁板的夾角為36.8°；第3層鋁板厚度為2mm，尺寸為60mm×30mm，相鄰鋁板的中心間距為50mm。

3.2仿真結(jié)果分析

利用數(shù)值仿真方法，分析了撞擊速度為3.0km/s和4.8km/s時，兩種結(jié)構(gòu)的臨界彈丸尺寸，如表2所示。

表2 兩種防護結(jié)構(gòu)臨界彈丸尺寸的仿真結(jié)果

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以看出，N型結(jié)構(gòu)和3層平行鋁板結(jié)構(gòu)相比，防護性能較好。但在撞擊速度較低的情況下，兩種結(jié)構(gòu)的臨界彈丸尺寸差別較??；在撞擊速度較高的情況下，兩種結(jié)構(gòu)的臨界彈丸尺寸差別相對較大。仿真結(jié)果和試驗結(jié)果符合較好。

假定兩種結(jié)構(gòu)在3～7km/s速度范圍內(nèi)的彈道極限曲線為直線，則根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以給出兩種結(jié)構(gòu)在中速區(qū)的彈道極限(見圖6)，從圖中可以看出，在7km/s速度下，N型防護結(jié)構(gòu)的臨界彈丸直徑比3層平行鋁板結(jié)構(gòu)約高0.7mm。

圖6 兩種結(jié)構(gòu)在中速區(qū)的彈道極限

圖7給出了3km/s和6km/s速度下兩種結(jié)構(gòu)后板被碎片撞擊后的有效應變，每組圖中第一張為3層平行鋁板結(jié)構(gòu)的后板，第二張為N型防護結(jié)構(gòu)的后板。從圖中可以看出，撞擊條件相同、仿真時間相同時，3層平行鋁板結(jié)構(gòu)后板上的應變區(qū)域明顯小于N型防護結(jié)構(gòu)后板上區(qū)域，應變大的區(qū)域也更加集中。

(a) Ф=4.0mm, V=3km/s, t=100μs

(b) Ф=5.0mm, V=6km/s，t =70μs

數(shù)值仿真結(jié)果顯示，在速度為3～6km/s的正撞擊條件下，N型防護結(jié)構(gòu)和3層平行鋁板結(jié)構(gòu)相比，碎片撞擊后板形成的應變區(qū)域相對較大，但損傷程度相對較低。初步證明了在這一速度范圍內(nèi)，N型防護結(jié)構(gòu)的性能在正撞擊條件下優(yōu)于3層平行鋁板結(jié)構(gòu)的性能。

分析認為，在正撞擊條件下，促使N型防護結(jié)構(gòu)后板損傷程度降低的原因主要有以下兩點：

一是中間層的傾斜使撞擊碎片更加分散，特別是隨著撞擊速度的提高，這種分散效果愈加明顯，有效分散了撞擊到后板上空間碎片的能量，從而使后板損傷程度降低。

二是傾斜的中間層使撞擊碎片中心分布穿過第2層鋁板后偏離彈道軸線，在一定程度上增大了碎片飛行距離，增加了碎片擴散時間，使碎片更加分散，從而減低了后板上損傷程度。

在上述研究工作中，未考慮不同撞擊角度、不同撞擊位置下N型防護結(jié)構(gòu)與3層平行鋁板結(jié)構(gòu)防護性能的差異。下面僅初步分析不同撞擊角度、撞擊位置對N型防護結(jié)構(gòu)性能的影響機理，定量的研究工作有待進一步開展。

在不同撞擊角度下，影響N型防護結(jié)構(gòu)性能的機理主要有兩種：一是彈丸撞擊方向向中間層傾斜方向偏離時，彈丸撞擊第1層鋁板形成的大動量碎片與中間層撞擊時的角度更大，撞擊第2層鋁板后形成的大動量碎片更加分散，有利于提升結(jié)構(gòu)的防護性能，但第2層鋁板對碎片的破碎作用會減小，不利于提升結(jié)構(gòu)的防護性能；二是彈丸撞擊方向向中間層傾斜的相反方向偏離時，彈丸撞擊第1層鋁板形成的大動量碎片與傾斜中間層撞擊時的角度變小，分散作用隨之變小，不利于提升結(jié)構(gòu)的防護性能，但破碎作用和碎片在防護結(jié)構(gòu)中的飛行距離會有所增加，有利于提升結(jié)構(gòu)的防護性能。

當撞擊位置偏離防護結(jié)構(gòu)中心時，影響N型防護結(jié)構(gòu)性能的機理在于：不同撞擊位置下，雖然防護結(jié)構(gòu)的總間距不變，但第1層鋁板和第2層鋁板的間距、第2層鋁板和第3層鋁板的間距會發(fā)生變化，因此會帶來防護結(jié)構(gòu)性能的變化。

此外，以上分析并未考慮中間層反濺碎片對后板造成的損傷情況，因為反濺碎片速度方向與后板法線方向夾角較大，所以反濺碎片對后板造成的損傷程度一般較小，并且通過適當調(diào)整結(jié)構(gòu)，容易實現(xiàn)對反濺碎片的防護，如減小中間層厚度、增加中間層數(shù)目、對防護結(jié)構(gòu)進行級聯(lián)等。

4 結(jié) 論

在給出的正撞擊條件下，試驗結(jié)果表明，N型防護結(jié)構(gòu)和3層平行鋁板結(jié)構(gòu)相比，后板上的損傷區(qū)域較大但損傷程度低；仿真結(jié)果表明，在3km/s速度下，N型防護結(jié)構(gòu)的臨界彈丸直徑比3層平行鋁板結(jié)構(gòu)的臨界彈丸直徑高0.2mm，在4.8km/s速度下高0.4mm。

研究結(jié)果初步驗證了在正撞擊條件下，中間層傾斜能夠提升多層防護結(jié)構(gòu)的防護性能，特別是高撞擊速度下的防護性能。

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作者簡介:

文雪忠(1982-)，男，云南建水人，碩士，助理研究員。研究方向：超高速碰撞測量研究。通訊地址：四川省綿陽市中國空氣動力研究與發(fā)展中心(621000)。E-mail：wenxz@mail.xjtu.edu.cn