多孔火山岩超高速撞击蜂窝夹层板试验研究

廖高健， 陈 勇 ， 刘 西， 贾 斌

(1.重庆理工大学 车辆工程学院 汽车零部件先进制造教育部重点实验室，重庆 400054；2.哈尔滨工业大学 空间碎片高速撞击研究中心，哈尔滨 150080)

蜂窝夹层板由于具有优异的比强度、比刚度等力学性能，广泛应用于航天器等防护结构中[1-2]。然而，航天器在服役过程中可能遭受来自太空微流星体的超高速撞击，严重威胁其安全运行[3]。统计结果表明,太空微流星体密度为0.16～4.00 g/cm3，平均密度约0.50 g/cm3。可见，低密度微流星体在太空中比较常见，因此有必要研究各类微流星体对蜂窝夹层结构的超高速撞击防护性能。

张志远等[4-5]对铝弹丸高速撞击蜂窝夹层板进行了数值模拟研究，分析了蜂窝夹层板的超高速撞击损伤特性。徐小刚等[6]对蜂窝夹层板进行了超高速碰撞仿真，结果表明仿真得到的后板破口尺寸与试验比较接近。黄洁等[7]对铝球弹丸超高速撞击带隔热层的蜂窝夹层结构进行了实验和数值仿真，结果表明蜂窝芯会限制冲击过程中碎片云的径向膨胀。Nitta等[8]对铝弹丸超高速撞击条件下蜂窝夹层板的损伤特性进行了试验和数值仿真研究，并对弹道极限进行了讨论。贾光辉等[9]基于铝弹丸高速撞击蜂窝夹层板的试验数据，分析了蜂窝夹层板的撞击极限方程，并探讨了撞击极限方程中的系数关系。Sibeaud等[10]对铝球弹丸超高速撞击蜂窝夹层板进行了试验和数值仿真研究，并拟合获取了2～10 km/s内的弹道极限方程。

上述研究分析了超高速撞击条件下蜂窝夹层板结构的损伤特性，但均针对铝球弹丸。对此，庞宝君等[11-14]采用火山岩或硅酸盐弹丸模拟低密度脆性微流星体，对航天器典型Whipple防护结构进行了高速撞击试验和数值模拟研究，并分析了Whipple结构的损伤特性。然而，这些研究主要针对Whipple防护结构，未曾涉及蜂窝夹层结构。因此，本文采用火山岩弹丸模拟微流星体，通过二级轻气炮试验技术，研究火山岩超高速撞击条件下蜂窝夹层板的损伤特性。研究成果有望推动轻质、脆性弹丸的超高速撞击试验研究，并为航天器典型防护结构的设计和撞击风险评估提供参考依据。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

蜂窝夹层板上下蒙皮采用2A12铝合金板制作，厚度0.5 mm；中间层的蜂窝夹层采用2A12铝箔制作，厚度0.04 mm，高度28.7 mm。蜂窝芯孔格为正六边形结构，边长5 mm，其形状和尺寸如图1所示。

图1 蜂窝芯孔格形状和尺寸示意图Fig.1 Geometry and dimension of honeycomb holes

蜂窝夹层板的上下蒙皮与中间的蜂窝芯采用胶粘连接。本文冲击试验所用的蜂窝夹层板靶板由北京某航天院所负责提供，最终制成的靶板尺寸为200.0 mm×200.0 mm×29.7 mm，如图2所示。

图2 典型蜂窝夹层板试件Fig.2 Typical specimen of honeycomb sandwich panel

图3 典型火山岩弹丸Fig.3 Typical volcano rock projectile

表1 火山岩弹丸参数Tab.1 Parameters of volcano rock projectiles

1.2 试验方法

超高速撞击试验均采用哈尔滨工业大学超高速撞击研究中心的二级轻气炮进行，发射装置如图4所示。发射系统将火山岩弹丸发射至试验所需的速度，实现弹丸0°角正面超高速撞击蜂窝夹层靶板。二级轻气炮工作原理如图5所示：高压气舱的氮气释放后，驱动活塞沿泵管运动并压缩泵管内的氢气，泵管内氢气在活塞的压缩下达到非常高的温度和压力，当泵管内压力达到一定程度后，高压锥段处的膜片破裂，高温高压气体进入发射管，并驱动发射管内的弹托和弹丸沿发射管飞出。沿发射管运行至炮管末端时，子弹与弹托分离，然后弹托分成两瓣被挡在靶舱之外，弹丸则进入靶舱冲击靶板。弹丸着靶速度(V)通过配套的激光测速系统获取，如图6所示。

图4 二级轻气炮试验设备Fig.4 Two stage light gas gun equipment

图5 二级轻气炮冲击试验示意图Fig.5 A schematic of two stage light gas gun impact tests

图6 激光测速系统Fig.6 Laser velocimeter

由于火山岩呈现明显的轻质、多孔和脆性特征，导致火山岩超高速发射技术难度增大，主要表现：着靶前火山岩弹丸发生破碎，无法完成冲击试验。因此，需对常规发射技术进行改进，确保火山岩弹丸完整着靶。因此，本文首先基于常规弹托分离技术(见图7(a))，增加软质材料(炭黑母胶、硅橡胶)作为弹丸垫片，结合聚碳酸酯材料制作的弹托使用(见图7(b)和图7(c))，分析火山岩完整发射技术，然后进行蜂窝夹层板超高速撞击试验。其中，炭黑母胶、硅橡胶垫片厚度4 mm，相关材料参数列于表 2。

表2 弹托使用的相关材料参数Tab.2 Somematerial parameters for sabot usage

2 试验结果及分析

2.1火山岩弹丸发射后的完整性

采用单层铝合金板作为靶板，结合不同弹托组合方式(见图7)，通过二级轻气炮发射火山岩弹丸，研究火山岩完整发射技术。针对每组弹托使用情况，重复进行三次试验，选取的典型试验结果列于表3，靶板损伤结果如图8所示。

图7 弹托使用情况Fig.7 Sabot usage

图8 火山岩弹丸超高速撞击铝合金板试验结果Fig.8 Experimental results of volcano rock projectiles hypervelocity impact aluminum panels

图9 激光测速仪示波器信号Fig.9 Oscilloscope signals of laser velocimeter

表3 火山岩发射技术试验结果Tab.3 Experimental results of volcano rock projectile lunching technology

2.2 蜂窝夹层板损伤行为

基于获取的火山岩超高速发射技术，采用硅橡胶垫片与弹托组合，对蜂窝夹层板进行了三次冲击试验。试验结束后，检查蜂窝夹层板的损伤特性。首先检查撞击正面和背面蒙皮的损伤特性，测量其损伤参数。然后，采用线切割方式，将蜂窝夹层板沿厚度方向剖开，检查中间层蜂窝芯的损伤模式。获取的典型超高速撞击试验结果列于表 4。其中，背面蒙皮的损伤面积采用矩形区域进行描述。

蜂窝夹层板正面、背面的损伤模式如图10所示。由图可见，火山岩超高速撞击条件下，蜂窝夹层板正面蒙皮主要发生圆形穿孔损伤，背面蒙皮则发生花瓣开裂，并且在花瓣开裂区域与中间的蜂窝芯层发生了明显的脱胶损伤(见图10)。火山岩弹丸撞击夹层板正面蒙皮瞬间，冲击波迅速传至蜂窝夹层板，导致正面蒙皮发生穿孔，形成直径略大于子弹直径的圆孔损伤。由于火山岩携带的动能较大，击穿正面蒙皮后，火山岩碎片继续冲击中间的蜂窝芯层，导致蜂窝芯层发生坍塌甚至断裂。最后，火山岩弹丸与背面蒙皮发生冲击，导致背面蒙皮发生形成花瓣开裂，火山岩击穿整个蜂窝夹层板，如图10所示。

正面背面HAV-1,d=4.953 mm,V=2.14 km/sHAV-2,d=6.193 mm,V=1.62 km/sHAV-3,d=6.613 mm,V=2.41 km/s

图10 蜂窝夹层板正面、背面损伤模式
Fig.10 Failure modes in front and rear surfaces of honeycomb sandwich panels

表4 蜂窝夹层板撞击试验结果Tab. 4 Experimental results of honeycomb sandwich panels under impacts

图11 蜂窝夹层板正面穿孔直径与冲击能量、弹丸直径关系Fig.11 Perforation diameters of front surface in honeycombsandwich panel vs impact energy and projectile

蜂窝夹层板的剖面损伤模式如图12所示。可见，火山岩超高速撞击条件下，蜂窝芯层主要发生坍塌和断裂损伤模式。弹丸击穿正面蒙皮后，与蒙皮碎片一起冲击中间的蜂窝芯层，导致蜂窝芯发生坍塌，甚至断裂。最后，弹丸高速冲击背面蒙皮，导致背面蒙皮发生鼓包变形，并在冲击接触区域与蜂窝芯发生脱胶，形成花瓣开裂(见图12)。

图12 蜂窝夹层板损伤模式剖视图Fig.12 Section view of failure modesin honeycomb sandwich panels

由图12可见，三次冲击试验中，随着冲击能量的提高，中间蜂窝芯层发生坍塌或断裂的损伤面积逐渐增大。然而，结合背面蒙皮损伤区域面积(见表 4)，发现随着冲击能量的增加，背面蒙皮的损伤面积并没有随之明显增大。这是由于中间蜂窝芯层的损伤不仅与弹丸直径、弹丸冲击冲击能量相关，更与冲击位置相关。由于蜂窝芯为六边形孔格结构，孔格边长为5 mm，其内切圆直径为8.66 mm，大于本文山岩弹丸最大直径(6.62 mm)，因此弹丸撞击蜂窝芯的位置主要可能有三种情况，即孔格中心、孔格边、孔格角位置，分别对应图13中的1，2，3位置。当撞在孔格中心位置时，蜂窝芯发生坍塌的面积最小。结合蜂窝夹层板的剖面观测图片，可发现HAV-1，HAV-2，HAV-3冲击位置分别接近孔格中心、孔格边和孔格角。HAV-1试验中，火山岩穿透正面蒙皮后，形成的蒙皮碎片也对蜂窝芯层进行冲击，导致中间的蜂窝芯也发生了轻微坍塌(见图12(a))。HAV-2试验中，火山岩冲击位置为孔格边位置附近，对蜂窝芯层造成的坍塌面积大于HAV-1结果，但背面蒙皮损伤面积与之差距不大。HAV-3试验中，火山岩冲击位置为孔格角位置附近，并且正面蒙皮形成的碎片也多于前两次试验，因此对蜂窝芯层造成的坍塌面积明显大于HAV-1,HAV-2结果，背面蒙皮损伤面积也最大。

图13 火山岩弹丸撞击蜂窝夹层板不同位置示意图Fig.13 Schematic of volcano rock projectiles impacthoneycomb sandwich panels at different positions

3 结 论

本文首先改进了火山岩弹丸超高速发射技术，然后采用火山岩作为弹丸对蜂窝夹层板进行了超高速撞击试验。限于试验条件限制，完成了1.5～2.5 km/s速度下的三发撞击试验，获取的主要结论如下：

(1)采用阻抗低于弹托材料的硅橡胶作为垫片，结合弹托使用，可实现轻质、低密度、脆性火山岩弹丸的超高速发射，保证火山岩弹丸完整着靶。

(2)火山岩弹丸超高速撞击条件下，本文蜂窝夹层板主要发生正面蒙皮穿孔、蜂窝芯层坍塌、背面蒙皮花瓣开裂、背面蒙皮与相邻蜂窝芯层脱胶等损伤模式。正面蒙皮的穿孔直径随弹丸直径的增大而增大；中间蜂窝芯层的坍塌面积以及背面蒙皮的损伤面积不仅与冲击能量、弹丸直径相关，还与冲击位置相关。