航天器透明材料超高速撞击特性试验研究

施丽铭,姜超,陈燕,张萃,郑世贵

（北京空间飞行器总体设计部,北京 100094）

1 引言

航天器在地球轨道飞行中,必然会遭遇到空间碎片和微流星的撞击,空间碎片撞击航天器的平均相对速度为10km/s,撞击速度可达15km/s,微流星撞击航天器的平均相对速度为20km/s,撞击速度可达72km/s,空间碎片和微流星严重威胁着在轨航天器的安全。近年来,航天器舷窗玻璃等关键暴露组件发生了多起被撞击事件。空间碎片的防护得到了航天业界的重视,目前在航天器舱体上大多采用Whipple防护结构或填充式防护结构对舱体进行被动防护。在空间碎片防护中采用的防护材料有铝板、Nextel纤维布、凯夫拉 （Kevlar）纤维布、Beta布等,而对于舷窗等有透光或观察功能要求的透明结构,现有的防护结构无法满足上述要求。

为满足航天器在轨的透光、观察、照相等需求,航天器采用透明材料提供清晰的观察视界。透明材料一般具有良好的光学特性,并兼具一定的综合力学特性,可以承受一定的载荷作用。但与传统金属或非金属复合材料相比,透明材料诸如破坏强度、断裂韧性等力学性能远小于铝合金等材料。同时,透明材料性能较脆,对缺口非常敏感,裂纹扩展速率高,在轨可能会发生突然爆裂的事故,影响航天器及航天员的安全。

目前航天器中用到透明材料的主要产品包括观察舷窗、航天服面窗、相机等,常用的透明材料有PC（聚碳酸酯）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、石英玻璃、硅酸盐玻璃等。对于透明材料超高速撞击下的防护性能,目前国内外研究的较少,试验材料不全面或仅仅进行了仿真分析研究,缺乏有效试验数据。David Davison等人提出了熔融石英玻璃新的状态方程,综合使用SPH（光滑粒子算法）和Lagrange算法对熔融石英玻璃在弹丸超高速撞击下的变形及破坏特征进行了数值模拟,分析结果表明高能撞击的模拟结果则与实验结果有一定误差。庞贺伟等人利用18mm口径二级轻气炮和激光驱动微小飞片装置对航天器舷窗的熔融石英玻璃进行了超高速撞击损伤特性实验研究和分析,初步获得了12mm熔融石英玻璃侵彻深度、侵彻直径与弹丸撞击速度、弹丸质量之间的经验关系。

本文针对PC、PMMA、某硼硅酸盐耐辐照玻璃 （下文简称耐辐照玻璃）等不同材料、不同厚度开展了撞击特性研究,对各材料完成了撞击性能评估,对透明结构设计及空间碎片防护方案的确定提供了有力支撑。

2 试验装置及方法

为了验证结构抗空间碎片的撞击特性,一般采用超高速撞击试验进行验证。超高速碰撞试验装置包括发射系统、测速系统和靶室/真空系统等三大分系统,试验采用中国空气动力研究与发展中心的二级轻气炮,试验装置如图1所示。该发射系统的作用是将弹丸发射到试验所需的速度,实现弹丸对靶材的撞击,其稳定发射速度达7km/s,可以较好地模拟空间碎片的撞击。测速系统用来测量弹丸撞靶前的飞行速度,包括激光探测器和测速计算机,其原理是利用弹丸飞越测试区域时对激光束的遮挡效应来记录弹丸到达各测试站的时间,并由此计算出弹丸的飞行速度。靶室内部安装用于固定靶材的靶架,真空系统用于在靶室内形成真空环境,降低弹丸飞行时的气动阻力。

图1 超高速碰撞试验系统主要装置Fig.1 Main devices of hypervelocity impact test system

3 试验状态及条件

试验件构型如图2所示,观测屏为1mm厚5A06铝板。为验证不同透明材料结构的性能,选用的试验件类型及参数见表1。试验时选用的弹丸为实心球体,材料为2A12铝合金,弹丸直径范围1.0～3.0mm,直径间隔0.25mm。撞击时,弹丸垂直撞击试验件。根据空间碎片典型撞击速度、试验设备的性能以及防护结构撞击极限曲线特征,弹丸标称撞击速度设定为3.7km/s和6.3km/s两种。

表1 透明材料试验件参数Table 1 Parameters of transparent material test piece

图2 试验件组成Fig.2 Composition of test piece

4 试验过程及结果分析

采用超高速碰撞靶试验系统对表1中的试验件进行了超高速撞击试验,试验过程中对弹丸、撞击试验件进行监视,确保弹丸在撞击试验件前完整且为球形,且弹丸撞击在试验件合理区域内。撞击完成后对撞击试验件进行检查,确认除弹丸外没有其它物质撞击到试验件上或其它物体的撞击经判断不会影响到弹丸的撞击效果时,试验结果才有效。经对试验件进行检查确认,各材料有效试验结果见表2。

从表2可以看出,各厚度PC材料均未被完全击穿,部分PMMA材料和耐辐照玻璃被击穿并形成弹坑。同时,对各材料被击穿后的形式进行了对比,各材料典型失效形式如图3—图5所示,图中三种材料的厚度分别为7mm、7mm、9mm。

表2 透明材料超高速撞击试验结果Table 2 Results of hypervelocity impact test on transparent material

对比图3—图5等各材料的破坏形式可以发现;PC材料均未被完全击穿,正面弹坑φ1.8～4.3mm,弹坑边沿突起,表面未见明显裂纹,内部存在φ16～25mm的裂纹区,背面顶端有局部崩落,不同厚度试验件在不同工况下破坏形式相同。被击穿的PMMA材料被击穿并形成弹坑,弹坑直径φ1.3～3.1mm;未被击穿的PMMA材料表面同样有弹坑,但深度未贯穿整个厚度。PMMA材料正面弹坑边沿均有突起,表面未见明显裂纹,内部存在φ15～38mm的裂纹区。耐辐照玻璃无论是否被击穿,表面弹坑处有φ50～90mm的密集裂纹区,放射状裂纹区贯穿整个试件且裂成碎块。背面无玻璃碎片剥落,密集裂纹区和放射状裂纹区同正面,不同厚度试验件在不同工况下破坏形式相同。不同的破坏形式是由材料特性决定的,PC、PMMA均为高分子聚合物,其分子间结合力强、韧性高,而耐辐照玻璃为无机物,为脆性材料。

图3 PC材料超高速撞击后的损伤图Fig.3 Photos of PC material after hypervelocity impact

图4 PMMA材料超高速撞击后的损伤图Fig.4 Photos of PMMA material after hypervelocity impact

图5 耐辐照玻璃超高速撞击后的损伤图Fig.5 Photos of anti-irradiation glasses after hypervelocity impact

以击穿为失效准则,对超高速撞击试验的数据进行了分析和处理,并与1.5mm厚5A06铝板的弹道极限进行分析对比如图6所示,极限数值对比见表3所示。

表3 透明材料与1.5mm厚5A06铝板弹道极限Table 3 Ballistic limit of transparent material and 1.5mm 5A06 aluminum alloy plate

图6 透明材料与1.5mm厚5A06铝板弹道极限曲线Fig.6 Ballistic limit curve of transparent material and 1.5mm 5A06 aluminum alloy plate

通过以上试验结果,可以得到以下结论：

①对比本文所选三种透明材料与1.5mm厚5A06铝板,三种透明材料超高速撞击下的防护性能均强于1.5mm厚5A06铝板。

②PC材料的防护能力强于PMMA和耐辐照玻璃。

③若以材料是否被击穿为准则,本次试验耐辐照玻璃的防护性能与PMMA相当;若以材料是否整体破碎为准则,则耐辐照玻璃的防护能力很差。耐辐照玻璃被击中后会出现密集裂纹区和放射状裂纹区;密集裂纹区直径约为弹丸直径的22～48倍,放射状裂纹区贯穿整个试件,且试件裂成多个碎块。

④撞击后PC材料、PMMA材料都能保持完整,无整体裂纹,相比耐辐照玻璃有更高的韧性。PC材料的损伤区域直径约为弹丸直径的8～13倍;PMMA材料的损伤区域直径约为弹丸直径的6～25倍。

⑤各材料随着厚度增加,防护能力都有提升。

5 结语

为满足透明结构空间碎片防护的需求,本文对透明材料的撞击特性验证方法进行了介绍,针对PC、PMMA、耐辐照玻璃等材料进行了超高速撞击试验验证,通过验证获得了不同玻璃在超高速撞击后的破坏形式、缺陷大小等,并与5A06铝合金的防护性能进行了对比,获得了不同材料的弹道极限。研究表明,如果以材料是否整体破碎为准则,则耐辐照玻璃的防护能力很差;如果以材料是否被击穿为准则,本次试验采用的透明材料均有较好的防护性能,防护能力均强于1.5mm厚5A06铝板,PC材料的防护能力强于PMMA,PMMA的防护能力与耐辐照玻璃相当。

本文的工作获得了典型透明材料超高速撞击下的特性及材料弹道极限,为透明结构空间碎片的防护设计提供了有效的参考。