N型防护结构的试验与仿真研究

2014-03-29文雪忠柯发伟马兆侠

实验流体力学 2014年2期

文雪忠, 柯发伟, 陈萍, 马兆侠, 黄洁

(中国空气动力研究与发展中心, 四川绵阳 621000)

0 引言

航天器运行轨道附近存在大量高速运动的空间碎片，而空间碎片撞击到航天器时将会对航天器造成损伤，严重时将造成航天器失灵甚至解体。因此，防护结构是抵御无法跟踪监测的小尺寸空间碎片撞击的重要屏障，是保障航天器在轨安全的重要部件。航天器的防护结构设计一直是航天器防护研究中的一项重要内容。

1947年F.L.Whipple巧妙利用了先破碎弹丸再利用空间距离使撞击能量分散的思想，提出了Whipple防护结构。这种结构和相同面密度的单层板相比，大幅度提高了撞击弹丸破碎后(3km/s以上)的弹道极限。到目前为止，在Whipple防护结构的基础上，已发展了多种防护结构，如改进型Whipple防护结构[1-3]、填充型防护结构[4-6]、多层冲击防护结构[7-8]等，使防护结构的弹道极限进一步提高，基本原理依然是使弹丸破碎更充分、使撞击能量散布区域更大、使吸收的碎片能量更多等。

分析各类防护结构的弹道极限发现，防护结构在正撞击下的弹道极限在大部分速度区域内都小于斜撞击下的弹道极限[9]。基于这一特点考虑，将多层防护结构的中间层进行倾斜来提高防护结构的弹道极限是可能的。1990年W.Schonberg提出的波纹防护结构在一定程度上也证明了这一点。波纹防护结构利用斜撞击下波纹组合层对撞击碎片的限制作用，显著提升了斜撞击条件下的弹道极限；但这种结构和非波纹结构相比，在正撞击条件下后板的穿透情况却无明显差别，仅仅是碎片撞击分布区域相对较小[1]。

从防护结构在斜撞击条件下的弹道极限高于正撞击条件下弹道极限这一特性考虑，提出了一种把3层防护结构的中间层进行倾斜形成N型防护结构来提高防护性能的思路。在文献[10-11]的基础上，通过开展进一步的试验和仿真研究，定量分析了N型防护结构和相同面密度的3层平行铝板防护结构防护性能的差异。

一般情况下，空间碎片与航天器防护结构的撞击为斜撞击，因此从工程应用的角度考虑，全面考核防护结构在不同撞击角度、不同撞击速度、不同撞击位置下的防护性能，特别是斜撞击条件下的防护性能是必要的。但全面考核防护结构的性能涉及的工作量大，本文目的只是初步论证中间层斜置对防护结构性能的影响，因此利用超高速碰撞试验和数值仿真两种手段，重点分析对比正撞击条件下(且撞击位置处于N型防护结构中心)，N型防护结构与3层平行铝板结构的防护性能差异。

1 N型防护结构设计

从文献[9]给出的几种防护结构弹道极限可以看出，在其它撞击参数相同的情况下，撞击角度增大时，防护结构在高速区的弹道极限随之增大，而在中速区，存在斜撞击下的弹道靶极限小于正撞击的情况，这种情况在文献[12]的实验结果中亦有体现，这是由于相同速度下弹丸在斜撞击下的破碎程度低于正撞击下的破碎程度引起。

为此，提出把多层防护结构的中间层进行倾斜放置，在提高防护结构高速区防护性能的同时，若能不减弱弹丸正撞击下的破碎效应，则可以使防护结构在中速区的防护性能也得到进一步提高。基于这种设计思路，以3层平行铝板结构为例(图1)，通过把防护结构中的第2层铝板调整成一定角度，形成N型防护结构(图2)。

图1 3层平行铝板防护结构

图2 N型防护结构

当弹丸正撞击3层平行铝板结构时，撞击第1层铝板后破碎形成的、动量较大的碎片主要集中在弹丸飞行弹道附近。这部分碎片以接近正撞击的状态穿透第2层铝板后，形成的碎片依然集中在弹丸飞行弹道附近。因此后板被这些碎片撞击所造成的损伤(鼓包或穿孔)也将集中在弹丸飞行弹道附近。

当弹丸正撞击N型防护结构时，弹丸撞击穿透第1层铝板后破碎形成的、动量较大的碎片同样集中在弹丸飞行弹道附近，但这部分碎片撞击第2层铝板时，不再是接近正撞击的状态，而是撞击角度接近第2层铝板倾角的斜撞击状态。这些碎片斜撞击穿透第2层铝板后，动量较大的碎片将进一步分散，不再集中在弹丸飞行弹道附近。因此后板被这些碎片撞击所造成的损伤面积将进一步增大，但损伤程度(鼓包高度、穿孔情况等)将会减弱。

利用超高速碰撞试验和数值仿真两种手段，分析对比了相同参数的正撞击条件下，面密度相同的3层平行铝板结构和N型防护结构后板的损伤情况，分析检验了把防护结构的中间层进行倾斜后，进一步提升结构防护性能的可能性。

2 超高速碰撞试验及结果分析

试验在中国空气动力研究与发展中心的超高速碰撞靶[13](图3)上开展。

图3 超高速碰撞靶

弹丸为不同直径的2A12铝球，靶材为3层平行铝板结构和N型防护结构。3层平行铝板结构的第1、3层分别为1mm和2mm厚的2A12铝板，第2层为1mm厚的1100纯铝，相邻铝板间距为50mm，如图1所示。N型防护结构的第1、3层分别为1mm和2mm厚的2A12铝板，第2层为0.8mm厚的1100纯铝，第2层铝板与第1、3层铝板的夹角为36.8°(第2层铝板厚度和倾角的选取，满足两种防护结构面密度相同的原则)，相邻铝板中心间距为50mm，如图2所示。

针对两种防护结构，开展了两组不同撞击速度的超高速碰撞试验，试验状态和试验后两种防护结构后板的损伤情况如表1所示。

表1 试验状态及后板损伤情况

在弹丸直径为4.0mm、撞击速度约为3km/s的正撞击条件下，两种结构的后板均未出现穿孔，3层平行铝板结构的后板背面出现一个直径约5mm的鼓包和4个直径约2mm的鼓包，而同等面密度的N型防护结构后板背面只出现一个直径约4mm的鼓包，如图4所示。

在弹丸直径为5.5mm、撞击速度约为4.8km/s的正撞击条件下，3层平行铝板结构后板上出现一个直径约2mm的穿孔，碎片损伤区为圆形区域，鼓包高度约为11.33mm(以铝板背面4个固定孔所在的平面为基准)；N型防护结构后板上未出现穿孔，碎片损伤区约为椭圆区域，鼓包高度约7.66mm(以铝板背面4个固定孔所在的平面为基准)，如图5所示。

试验结果显示，相同撞击参数下N型防护结构后板上的损伤程度明显小于3层平行结构后板的损伤程度。试验初步验证了在正撞击条件下，将中间层进行倾斜可在一定程度上提升多层防护结构的防护性能。

(a) 3层平行铝板结构(Ф=4.0mm, V=2.96km/s)

(b) N型防护结构(Ф=4.0mm, V=3.00km/s)

(a) 3层平行铝板结构(Ф=5.5mm, V=4.80km/s)

(b) N型防护结构(Ф=5.5mm, V=4.81km/s)

3 数值仿真及结果分析

3.1数值仿真

采用AUTODYN有限元软件平台建立弹丸和防护结构的SPH(光滑粒子流体动力学)3D仿真模型。模型采用Z轴对称方式，弹丸和靶材的材料状态方程均采用Shock模型，第1、3层铝板的强度模型采用Johnson Cook模型，第2层铝板的强度模型采用Steinberg Guinan模型。

3层平行铝板结构仿真模型：第1、2、3层铝板的厚度分别为1、1和2mm，第1层铝板的尺寸为20mm×10mm，第2、3层铝板的尺寸均为60mm×30mm，相邻铝板间距为50mm。

N型防护结构仿真模型：第1层铝板厚度为1mm，尺寸为20mm×10mm；第2层铝板厚度为0.8mm，尺寸为80mm×40mm，与第1层铝板的夹角为36.8°；第3层铝板厚度为2mm，尺寸为60mm×30mm，相邻铝板的中心间距为50mm。

3.2仿真结果分析

利用数值仿真方法，分析了撞击速度为3.0km/s和4.8km/s时，两种结构的临界弹丸尺寸，如表2所示。

表2 两种防护结构临界弹丸尺寸的仿真结果

根据表中数据可以看出，N型结构和3层平行铝板结构相比，防护性能较好。但在撞击速度较低的情况下，两种结构的临界弹丸尺寸差别较小；在撞击速度较高的情况下，两种结构的临界弹丸尺寸差别相对较大。仿真结果和试验结果符合较好。

假定两种结构在3～7km/s速度范围内的弹道极限曲线为直线，则根据表中数据可以给出两种结构在中速区的弹道极限(见图6)，从图中可以看出，在7km/s速度下，N型防护结构的临界弹丸直径比3层平行铝板结构约高0.7mm。

图6 两种结构在中速区的弹道极限

图7给出了3km/s和6km/s速度下两种结构后板被碎片撞击后的有效应变，每组图中第一张为3层平行铝板结构的后板，第二张为N型防护结构的后板。从图中可以看出，撞击条件相同、仿真时间相同时，3层平行铝板结构后板上的应变区域明显小于N型防护结构后板上区域，应变大的区域也更加集中。

(a) Ф=4.0mm, V=3km/s, t=100μs

(b) Ф=5.0mm, V=6km/s，t =70μs

数值仿真结果显示，在速度为3～6km/s的正撞击条件下，N型防护结构和3层平行铝板结构相比，碎片撞击后板形成的应变区域相对较大，但损伤程度相对较低。初步证明了在这一速度范围内，N型防护结构的性能在正撞击条件下优于3层平行铝板结构的性能。

分析认为，在正撞击条件下，促使N型防护结构后板损伤程度降低的原因主要有以下两点：

一是中间层的倾斜使撞击碎片更加分散，特别是随着撞击速度的提高，这种分散效果愈加明显，有效分散了撞击到后板上空间碎片的能量，从而使后板损伤程度降低。

二是倾斜的中间层使撞击碎片中心分布穿过第2层铝板后偏离弹道轴线，在一定程度上增大了碎片飞行距离，增加了碎片扩散时间，使碎片更加分散，从而减低了后板上损伤程度。

在上述研究工作中，未考虑不同撞击角度、不同撞击位置下N型防护结构与3层平行铝板结构防护性能的差异。下面仅初步分析不同撞击角度、撞击位置对N型防护结构性能的影响机理，定量的研究工作有待进一步开展。

在不同撞击角度下，影响N型防护结构性能的机理主要有两种：一是弹丸撞击方向向中间层倾斜方向偏离时，弹丸撞击第1层铝板形成的大动量碎片与中间层撞击时的角度更大，撞击第2层铝板后形成的大动量碎片更加分散，有利于提升结构的防护性能，但第2层铝板对碎片的破碎作用会减小，不利于提升结构的防护性能；二是弹丸撞击方向向中间层倾斜的相反方向偏离时，弹丸撞击第1层铝板形成的大动量碎片与倾斜中间层撞击时的角度变小，分散作用随之变小，不利于提升结构的防护性能，但破碎作用和碎片在防护结构中的飞行距离会有所增加，有利于提升结构的防护性能。

当撞击位置偏离防护结构中心时，影响N型防护结构性能的机理在于：不同撞击位置下，虽然防护结构的总间距不变，但第1层铝板和第2层铝板的间距、第2层铝板和第3层铝板的间距会发生变化，因此会带来防护结构性能的变化。

此外，以上分析并未考虑中间层反溅碎片对后板造成的损伤情况，因为反溅碎片速度方向与后板法线方向夹角较大，所以反溅碎片对后板造成的损伤程度一般较小，并且通过适当调整结构，容易实现对反溅碎片的防护，如减小中间层厚度、增加中间层数目、对防护结构进行级联等。

4 结论

在给出的正撞击条件下，试验结果表明，N型防护结构和3层平行铝板结构相比，后板上的损伤区域较大但损伤程度低；仿真结果表明，在3km/s速度下，N型防护结构的临界弹丸直径比3层平行铝板结构的临界弹丸直径高0.2mm，在4.8km/s速度下高0.4mm。

研究结果初步验证了在正撞击条件下，中间层倾斜能够提升多层防护结构的防护性能，特别是高撞击速度下的防护性能。

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