張品亮，龔自正，田東波，武強，曹燕，宋光明，陳川，李明

(1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094；2.中國空間技術研究院，北京100094)

1 引言

空間碎片對在軌航天器的安全運行造成了極大威脅。1947年，Whipple提出一種能夠顯著提升航天器抵御空間碎片撞擊能力的防護結構[1]。該結構是在艙壁外一定距離處放置防護屏來破碎入射物體，形成碎片云，通過防護屏與艙壁之間的間距使碎片云充分擴散，分散碎片動能，將點撞擊轉化為面撞擊從而降低對艙壁的損傷。

碎片云的形貌、速度、質量分布等特征直接決定著其對艙壁 (后墻)的侵徹能力，開展碎片云特性研究是揭示Whipple結構防護機理、超高速撞擊動態(tài)過程和提升防護性能的重要途徑。因此，國內外對碎片云的形成和演化過程、質量分布、速度分布、溫度分布和碎片云模型等開展了大量研究[2]。

超高速撞擊實測碎片云特征參數是開展理論研究的基礎。Piekutowski[3，4]基于超高撞擊實驗，系統(tǒng)地研究了防護屏厚度與彈丸直徑的比值 (t/D)對碎片云的形成過程、碎片云速度和相態(tài)等分布特性的影響規(guī)律，但是大部分實驗撞擊速度均在7km/s以下。對于鋁合金 Whipple防護結構，7km/s為撞擊極限曲線和碎片云相態(tài)的變化點[5]，開展撞擊速度為大于7km/s碎片云特性研究，對完善碎片云理論具有重要意義。隨后，Piekutowski[6-8]開展了速度為 7.19km/s、7.38km/s和9.10km/s等的超高速撞擊實驗，研究了彈丸破碎閾值與t/D的關系。此外，還獲得了速度高達9.19km/s的碎片云圖像[9]，但是清晰度較差，分析后得到撞擊速度為6.46km/s和9.19km/s所產生的碎片云具有相同的中心速度，認為7～10km/s具有與小于7km/s相同的碎片云特征規(guī)律。

總體來看，目前大于7km/s超高速撞擊碎片云實測數據較少，不足以獲得規(guī)律性的認識。本文基于典型Whipple結構開展了不同直徑彈丸8km/s超高速撞擊實驗，研究了碎片云特征點速度隨彈丸直徑的變化關系，分析了后墻損傷特征，為大于7km/s碎片云特性研究、碎片云模型的建立和校驗提供了實測數據基礎。

2 實驗方法

實驗在中國空氣動力研究與發(fā)展中心的二級輕氣炮上進行，共開展了5發(fā)次典型Whippe防護結構的超高速撞擊實驗。實驗中固定彈丸速度和防護屏結構參數。彈丸速度為8km/s，材質為2A12鋁合金，直徑分別為 4.75mm、5.00mm、5.20mm、5.50mm和 5.75mm。防護屏為厚度1.5mm的2A12鋁合金，后墻為厚度2.5mm的5A06鋁合金，防護屏與后墻的間距為100mm。采用序列激光陰影照相技術記錄碎片云的產生過程。表1給出了實驗參數，其中D和V0分別為彈丸直徑和初始速度，t為防護屏的厚度。

表1 實驗參數與結果Table 1 Hypervelocity impact test conditions and results

3 結果與分析

3.1 碎片云特性

碎片云通常由反噴、擴散外泡和主體結構三部分組成。其中，反噴結構主要由防護屏迎撞擊面材料受撞擊反向噴射而形成，擴散外泡結構由防護屏背面材料組成，主體結構由彈丸碎片和外泡前端構成。主體結構是碎片云核心，決定了其侵徹能力，可分為前端、中心和后部三個區(qū)域[10]。8km/s超高速撞擊足以使彈丸和防護屏材料液化，因此，主體結構前端主要由液化的彈丸和防護屏材料組成。主體結構中心由彈丸碎片組成，這部分聚集了碎片云中大部分的質量和動能，是對后墻危害最大的區(qū)域。主體結構后部是彈丸后表面發(fā)生層裂形成的半圓形層裂碎片殼層。圖1(a)為直徑5.20 mm的鋁彈丸以7.89km/s的速度撞擊鋁合金防護屏所產生的碎片云形貌，可以看出彈丸撞擊鋁合金防護屏后，碎片云反噴、擴散外泡和主體結構清晰分明。

碎片云速度是研究碎片云演化過程、質量分布和動量分布等特性的重要參數。其中，軸向速度是后墻損傷特性的主要決定因素之一，軸向速度越大后墻的損傷程度就越大；徑向速度決定了碎片云的徑向擴散范圍，徑向速度越小碎片云的質量分布就越集中，對后墻的危害就越大。

為了明確t/D對碎片云特性影響，本文對實驗碎片云主體結構的軸向速度和徑向速度進行了研究，分別計算了碎片云前端①的軸向速度、碎片云中心②的軸向速度、層裂殼層③的軸向速度，以及中心區(qū)域④的徑向擴散速度，如圖1所示，得到的無量綱速度結果列于表1中，將它們用最小二乘法進行擬合后，得到無量綱速度與t/D的關系，如圖2所示，實心點和實線為實測數據，空心點和虛線為數值仿真數據。

研究表明[3]:在撞擊速度小于7km/s時，碎片云前端①和中心②的無量綱軸向速度與t/D呈線性遞減關系，層裂殼層③的無量綱軸向速度與t/D呈指數遞減關系，而中心區(qū)域④的無量綱徑向速度即隨著t/D的增加呈指數遞增關系。從圖2可以看出，在本文實驗范圍內，碎片云前端①的軸向速度、中心區(qū)域②的軸向速度和中心區(qū)域④的擴散速度隨t/D的增大而減小，層裂殼層③的軸向速度隨t/D的增大而增大。其中，中心區(qū)域④的擴散速度和層裂殼層③的軸向速度與文獻 [3]中的趨勢不同。這說明在撞擊速度大于碎片云相態(tài)變化點7km/s時，碎片云軸向和徑向速度與t/D的關系發(fā)生了變化，這與 Piekutowski[9]“7～10km/s具有與小于7km/s相同的碎片云特征規(guī)律”的結論存在差異。實驗結果說明:彈丸直徑越大碎片云主體結構的軸向速度和擴散速度就越大，對后墻造成的損傷程度和區(qū)域就越大。

圖1 實驗#3碎片云(a)實測形貌及測量速度點；(b)數值仿真形貌Fig.1 Late-time views of debris cloud of Test#3 created by experiment(a)and simulation(b)

圖2 碎片云無量綱速度V/V0與t/D的關系Fig.2 Normalized velocity of selected measurement points in debris cloud versus t/D ratio

3.2 數值仿真研究

本文采用光滑粒子流體動力學 (SPH)方法對5次實驗的超高速撞擊過程進行了數值仿真。計算中采用了2A12鋁合金的Tillotson物態(tài)方程、Steinberg Guinan本構模型和Hydro失效準則。模型參數采用材料庫參數，失效準則中Tensile Limit設置為-2.0GPa。圖1(b)為實驗#3中的碎片云數值仿真結果，可以看出，仿真碎片云與實測碎片云具有相同的形貌特征，數值仿真可以較高精度再現(xiàn)8km/s超高速撞擊的碎片云產生過程，選取的材料模型和參數是合適的。

碎片云前端①軸向速度、碎片云中心②軸向速度、層裂殼層③軸向速度和中心區(qū)域④徑向擴散速度分別為 6.91km/s、5.33km/s、3.87km/s和2.26km/s，與實驗結果7.37km/s、5.56km/s、4.04km/s和2.31km/s基本吻合。仿真碎片云與實測碎片云的無量綱速度對比顯示在圖2中，碎片云速度與t/D的關系規(guī)律變化趨勢相同。

3.3 后墻損傷特性

后墻的損傷形貌是碎片云特性的真實反映，可以通過后墻損傷表面形貌來分析碎片云質量分布和相態(tài)等。后墻損傷區(qū)域通常可分為擴散撞擊坑區(qū)、環(huán)形撞擊坑區(qū)和中心撞擊坑區(qū)三個區(qū)域[11]。其中，擴散撞擊坑區(qū)由碎片云擴散外泡撞擊后墻所形成，環(huán)形撞擊坑區(qū)和中心撞擊坑區(qū)主要由碎片云主體結構撞擊所形成。在撞擊速度小于7km/s時，碎片云主要由固態(tài)粒子組成，撞擊坑區(qū)域存在明顯的邊界。隨著撞擊速度的增加，撞擊將使材料發(fā)生液化甚至氣化。當碎片云主要由液態(tài)或者氣化粒子組成時，撞擊坑區(qū)域的邊界通常不易分辨[12]。

圖3 后墻前表面損傷形貌(a)實驗#1；(b)實驗#2Fig.3 Views of damage patterns produced on the front surfaces(a)Test#1 and(b)Test#2

圖3(a)和 (b)分別為受速度7.93km/s、直徑4.75mm和速度7.90km/s、直徑5.00mm彈丸撞擊后的后墻損傷形貌?？梢钥闯觯髩χ行淖矒艨訁^(qū)和環(huán)形撞擊坑區(qū)沒有明顯的邊界。中心損傷區(qū)域 (中心撞擊坑區(qū)和環(huán)形撞擊坑區(qū))內分布著大量細小撞擊坑，出現(xiàn)了明顯的液化現(xiàn)象，在中心損傷區(qū)域中及周圍存在大量液滴撞擊濺射痕跡。這說明在撞擊速度為8km/s時，彈丸和防護屏材料在很大程度上已經液化，這與小于7km/s的碎片云主要由固態(tài)粒子組成不同。采用數值仿真對碎片云的溫度分布進行分析，結果表明:碎片云前端具有最高的溫升，溫度最高為2319K，說明碎片云前端為液化、氣化防護屏和彈丸材料的混合物。

為了明確彈丸直徑對后墻損傷特征的影響，本文對防護結構的失效狀態(tài)進行了分析。失效準則定義為后墻后表面有材料剝落或穿孔，臨界狀態(tài)為后墻出現(xiàn)層裂鼓包并伴隨著單一的非穿孔裂紋。結果列于表1中，當彈丸直徑大于5.00mm時，后墻后表面均出現(xiàn)了大面積材料層裂剝落，可定義為失效，如圖4(a)所示。當彈丸直徑為4.75mm時，后墻后表面中心區(qū)域出現(xiàn)一個鼓包，而沒有出現(xiàn)穿孔裂紋和材料剝落，為未失效狀態(tài)，如圖4(b)所示。因此，可認為防護結構的臨界彈丸直徑在4.75～5.00 mm之間。

圖5為后墻前表面中心損傷區(qū)域的直徑(D1)和后表面層裂區(qū)域直徑 (D2)與t/D的關系?？梢钥闯鲈诠潭ǚ雷o屏厚度的條件下，后墻損傷區(qū)域的直徑隨彈丸直徑的增加而增大，與碎片云中心區(qū)域的徑向擴散速度④隨彈丸直徑變化趨勢一致。后墻后表面的損傷形貌表明:碎片云質量分布主要集中在軸線及其周圍，后墻背表面層裂區(qū)域直徑隨著彈丸直徑的增加而增大。

圖4 后墻后表面損傷形貌(a)實驗#1；(b)實驗#2Fig.4 Views of damage to rear surface of Test#1(a)and Test#2(b)

圖5 后墻中心損傷區(qū)域和層裂剝落區(qū)域直徑與t/D的關系Fig.5 Diameters of central craters area and detached area on the rear wall versus t/D ratio

4 結論

本文研究了8km/s超高速撞擊下的碎片云特性。固定彈丸速度和Whipple防護結構參數，開展了5發(fā)次不同彈丸直徑的超高速撞擊實驗，并開展數值仿真研究，實驗與仿真結果一致。結果表明:在撞擊極限曲線和碎片云相態(tài)變化點7km/s前后，碎片云特征點速度與t/D的關系規(guī)律不同。與小于7km/s不同，碎片云前端軸向速度、中心區(qū)域軸向速度和中心區(qū)域擴散速度隨著彈丸直徑的增大而增大，層裂殼層的軸向速度隨著彈丸直徑的增大而減小。實驗中后墻損傷區(qū)域出現(xiàn)了明顯的液化現(xiàn)象，結合數值仿真溫度分布結果表明:在撞擊速度為8km/s左右時，碎片云中的大部分彈丸和防護屏材料粒子為液態(tài)。碎片云質量主要集中在軸線及其周圍，后墻失效模式為大面積層裂剝落。防護結構的臨界彈丸直徑在4.75mm至5.00mm之間。