玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構撞擊極限及損傷特性*

賈古寨 ,哈 躍,龐寶君,管公順,祖士明

(1.哈爾濱工業大學航天學院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.中國兵器工業第五二研究所煙臺分所,山東 煙臺 264003)

玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構撞擊極限及損傷特性*

賈古寨1,2,哈 躍1,龐寶君1,管公順1,祖士明1

(1.哈爾濱工業大學航天學院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.中國兵器工業第五二研究所煙臺分所,山東 煙臺 264003)

為了研究玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構的撞擊極限和損傷特性，采用非火藥驅動二級輕氣炮進行超高速撞擊實驗，擬合撞擊極限曲線，并與Nextel/Kevlar填充防護結構及三層鋁防護結構進行比較。結果表明：玄武巖/Kevlar填充防護結構具有和Nextel/Kevlar填充防護結構類似的防護效果，防護性能優于三層鋁防護結構。進一步研究填充防護結構鋁合金防護屏、纖維布填充層及鋁合金艙壁的損傷形式，分析了造成防護屏、填充層與艙壁不同損傷形貌的原因，探索了玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構的防護機理，得出玄武巖纖維布填充層使彈丸碎化，而Kevlar填充層消耗、吸收和分散彈丸或碎片云的能量。

爆炸力學；撞擊極限；超高速撞擊；填充防護結構；玄武巖纖維布；損傷特性

隨著航天事業的發展，將會有越來越多的衛星等航天器在軌運行，這些衛星的運行區域大都在空間碎片密集區域，受空間碎片撞擊損傷的威脅很高。載人航天器的運行軌道也處于空間碎片密集區域，而空間碎片撞擊將直接影響到航天員的安全，決定載人航天任務的成敗。為了保障在軌的安全，航天器必須具備一定的防護能力。目前，在航天器空間碎片防護結構上采用了Whipple防護結構、多層沖擊防護結構、網格雙防護屏結構及填充防護結構等[1-4]，這些防護結構普遍采用了高性能纖維材料，如Nextel、Kevlar，且Nextel/Kevlar填充防護結構幾乎覆蓋了國際空間站的全部高風險區域。盡管對玄武巖及Kevlar纖維布填充防護結構超高速撞擊損傷和防護性能已進行了大量研究，但是由于實驗中填充材料及填充層的面密度各不相同，且實驗條件不統一，因此所得結論也大相徑庭[5-7]。同時，實驗中所采用的彈丸直徑過于單一，沒有準確地給出玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構相對于Nextel/Kevlar填充防護結構及三層鋁防護結構的防護性能的優劣。此外，現有文獻中僅對玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構的損傷有一些零星的報道，并沒有給出造成其不同損傷形貌的具體原因[6]。

本文中，針對玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構進行不同直徑彈丸的超高速撞擊實驗，擬合撞擊極限曲線，并與Nextel/Kevlar填充防護結構及三層鋁防護結構的撞擊極限曲線進行對比，分析玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構的防護性能；研究防護屏、填充層及艙壁的損傷形式，分析造成防護屏、填充層與艙壁不同損傷形貌的原因，探索玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構的防護機理。

1 實驗方案及結果

超高速撞擊實驗采用二級輕氣炮發射裝置，其中二級輕氣炮一級高壓泵管口徑為57 mm，二級發射管口徑為10 mm。一級驅動氣體為氮氣，二級驅動氣體為氫氣。速度測量采用磁感應方法，測量精度高于2%。

玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構形式如圖1所示，第1層防護屏為1 mm厚的6061-T6鋁合金板，填充層由3層玄武巖纖維布和3層Kevlar纖維布組成，相對于彈丸撞擊方向而言，玄武巖纖維布在前，Kevlar纖維布在后，填充層的面密度為0.168 g/cm2，艙壁為2.5 mm厚的5A06鋁合金板，防護結構總的面密度為1.106 g/cm2。防護結構總防護間距(即艙壁前表面到最外層防護屏背面的距離)為100 mm, 填充層位于最外層鋁合金防護屏和艙壁中間，即處于總防護間距一半的位置。實驗中使用3.97、4.76、6.35和7.94 mm等4種不同直徑的2017鋁合金彈丸撞擊玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構，撞擊速度為0.6～5.0 km/s，撞擊角為0°。

圖1 玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構示意圖Fig.1 Experimental configuration of basalt/Kevlar stuffed Whipple shield

玄武巖/Kevlar布填充防護結構超高速撞擊實驗結果見表1，表中dp、v和Dh分別為彈丸直徑、撞擊速度和防護屏穿孔直徑。實驗過程中，玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構防護效果的判定以鋁合金艙壁是否穿孔、剝落為評價依據：艙壁無穿孔、無剝落，防護有效；有穿孔、剝落，防護失效。如果艙壁出現微裂紋損傷形式，則認為防護失效。

表1 玄武巖/Kevlar纖維填充防護結構超高速撞擊實驗結果Table 1 Results of hypervelocity impact tests for basalt/Kevlar stuffed shields

2 分 析

2.1 撞擊極限特性

撞擊極限曲線是基于撞擊極限方程得到的描述防護結構的臨界彈丸直徑dcr與撞擊參數、結構參數之間關系的曲線，其是評價防護結構防護性能的重要手段，同樣也是航天器防護結構設計的重要依據。由于彈丸超高速撞擊填充防護結構，在不同速度區段呈現不同的動力學特性，因此撞擊極限方程分為3段函數來表達。填充防護結構撞擊極限方程可表示為：

彈道區(v≤vL):

對于Nextel/Kevlar填充防護結構而言，幾何模型函數:

F*=tw(σ/275.8)0.5+cbmb

液化/氣化區(v≥vH):

破碎區(vL

上述方程中：CL、CH、cb、α、k1～k10為撞擊極限方程參數;vL、vH為彈道區、破碎區、熔化/氣化區3區的臨界速度(km/s)，分別稱為第1速度閾值和第2速度閾值;ρp、ρb、ρw分別為彈丸、防護屏和艙壁密度(g/cm3);S為防護屏間距(cm);σ為艙壁材料極限屈服強度(MPa);tw為艙壁厚度(cm);θ為撞擊角(°)。

對于本文玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構，根據表1實驗結果，擬合得到預測撞擊極限方程為：彈道區(v≤2.528 km/s),dcr=0.605v-0.735;破碎區,dcr=0.16v-0.105。

圖2 玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構撞擊極限曲線Fig.2 Ballistic limit curves of basalt/Kevlar stuffed shield

圖2給出了玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構的預測撞擊極限曲線和同等面密度的Nextel/Kevlar填充防護結構的撞擊極限曲線[8-9]及三層鋁防護屏的撞擊極限曲線[10]。由圖2可知，玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構的撞擊極限曲線與Nextel/Kevlar填充防護結構和三層鋁防護結構的撞擊極限曲線整體趨勢基本相同。彈道區時，3種防護結構的撞擊極限曲線幾乎重合，表明在該碰撞速度范圍內，在防護結構面密度相等的條件下，3種防護構型的防護性能相當。破碎區時，玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構的撞擊極限曲線始終處于最上端，Nextel/Kevlar填充防護結構的撞擊極限曲線位于中間，三層鋁防護屏的撞擊極限曲線則處于最下端。這表明，在防護結構面密度相等的條件下，三層鋁防護屏的防護性能最差，玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構的防護性能最好?？傮w而言，纖維織物填充防護結構的防護性能優于三層鋁防護屏的防護性能，玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構的防護性能已經達到了Nextel/Kevlar填充防護結構的防護水平，可以作為一種新的用于空間碎片防護的填充防護結構。

2.2 損傷特性

2.2.1 防護屏穿孔特性

最外層防護屏穿孔損傷形貌如圖3所示，其均為圓形穿孔損傷。當撞擊速度較低時，防護屏正面孔口邊緣有瓣形突緣(堆積突起)；防護屏背面也存在突緣，并有明顯的后翹拉伸變形，其為充塞邊緣端口。隨著撞擊速度的升高，處于破碎區段時，防護屏正面瓣形突起產生飛散，并減少；背面孔邊緣也產生同正面一樣的堆積飛散。其主要原因是彈丸撞擊鋁合金防護屏，在撞擊界面產生巨大的沖擊壓力，防護屏材料在沖擊壓縮波的擾動下產生大量能量(熱量)，發生熔化，體積迅速增大，并在剪切流動的作用下，以很高的速度飛濺出去，未飛濺出去的材料粘附于圓孔周邊，形成了防護屏正面的瓣形突緣。撞擊速度愈高，剪切流動力愈大，防護屏熔化材料飛濺速度也愈高，使得殘留粘附于孔周邊的材料減少。撞擊速度較低時，防護屏在拉伸波的擾動下產生整體變形，形成鼓包，并由高速彈丸充塞出一塊防護屏材料，形成拉伸形突緣斷口；隨著撞擊速度的增加，彈丸貫穿防護屏的速度大于拉伸波擾動防護屏產生整體變形的速度，使得防護屏未產生整體變形(鼓包)前便被充塞出一塊，由于應力做功產生大量能量，防護屏材料熔化，熔化材料在剪切力的作用下沿彈丸飛行方向飛濺。

圖3 防護屏超高速撞擊穿孔損傷Fig.3 Perforation damage in the first bumper by hypervelocity impact

圖4 防護屏穿孔直徑隨撞擊速度的變化Fig.4 Hole diameter in the first bumper via impact velocity

圖4給出了防護屏穿孔直徑隨撞擊速度的變化曲線。彈丸直徑一定時，穿孔直徑隨撞擊速度的升高而增大，呈非線性變化。目前，預測穿孔直徑的經驗公式主要有Maiden[11]、Nysmith[12]、Sawle[13]、Guan[14]等經驗公式。由圖4可知，對于直徑為3.97 mm的鋁球撞擊鋁合金防護屏，上述穿孔直徑方程并不適用于本文實驗結果。其中，Swale[13]公式高估了防護屏穿孔直徑，Maiden[11]、Nysmith[12]與Guan[14]3個公式則低估了防護屏穿孔直徑，且4個方程預測結果與本文實驗結果之間誤差均大于20%，最大誤差超過50%。綜上所述，由于實驗和預測公式間選用的材料在性能方面存在差異，預測結果也會帶來較大的誤差，因此，有必要針對本文材料進行超高速撞擊特性研究。

2.2.2 填充層損傷特性

彈丸擊穿防護屏后，會產生飛散碎片，飛散碎片會對填充層造成不同形式的損傷。圖5(a)表明，當撞擊速度處于低速區時，填充層前面的玄武巖纖維面層上有較規則的方孔，方孔四邊分別平行于玄武巖纖維布的經紗和緯紗，且纖維斷裂面平滑，紗線斷口附近沒有出現明顯的彎曲變形；背面Kevlar面層也產生了穿孔，但其斷裂紗線產生了較大的拉伸變形，形成球冠狀突起，遮住貫穿孔，孔周邊紗線被彈丸推開，形成倒圓錐式凹陷，并伴有少量抽紗。隨著撞擊速度接近第1速度閾值時，玄武巖纖維面層上出現許多孔，如圖5(b)和(c)所示，其中彈丸主體在填充層上形成一個方形大孔，而小碎片則在周圍形成一些小孔，大小沿徑向向外逐漸減小。大孔斷面纖維整齊光滑，周圍小孔斷面不一。Kevlar填充層背面為一個方孔，四邊也平行于Kevlar面層的經、緯紗，但斷口不是很平滑，紗線拉伸變形較大，且有些紗線明顯被拉長但沒有斷裂，產生推移變形，形成倒圓錐式突起，并伴有少量抽紗。

當撞擊速度為破碎區時，填充層正面損傷為圓形大孔，周圍有許多小孔呈散射分布；玄武巖和Kevlar斷裂的紗線向彈丸飛行的反向翻轉，斷口不整齊，有毛邊。填充層背面為近似方形孔，伴有撕裂，斷口不整齊， Kevlar纖維布有明顯抽紗現象，如圖5(d)所示。

圖5 填充層超高速撞擊損傷Fig.5 Hypervelocity impact damage of stuffed layer

玄武巖布和Kevlar布的細觀損傷形態如圖6所示。玄武巖纖維作為一種陶瓷纖維材料，脆性很強，破壞時發生脆性斷裂，隨著撞擊速度的增高，其纖維斷裂截面趨于規整；而Kevlar作為一個高分子聚合物，具有較大韌性，隨著撞擊速度的提高，應變率升高，Kevlar纖維絲強度增高，韌性減小，側向劈裂和原纖化加劇。此外， Kevlar纖維材料具有較低的玻璃化溫度，撞擊過程中Kevlar纖維發生明顯的熱塑性變形。

圖6 填充層纖維絲微損傷形態Fig.6 Micro-damage of filaments in stuffed layer

以上分析表明，玄武巖/Kevlar纖維布填充層通過纖維絲的斷裂和拉伸變形吸收彈丸撞擊能量。另外，根據文獻[5]可知，玄武巖纖維布具有切割、破碎彈丸的能力，使大碎片或彈丸進一步破碎，且不產生新的大碎片，這也正是玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構防護性能優于Nextel/Kevlar填充防護結構和三層鋁防護屏的重要原因。

2.2.3 艙壁損傷特性

圖7給出了不同速度區段艙壁的超高速撞擊損傷形貌。彈丸撞擊速度低于第1速度閾值時，彈丸僅產生塑性變形，以完整的形態撞擊艙壁，造成艙壁穿孔或撞擊坑損傷；隨著撞擊速度的提高，彈丸發生少量破碎，造成艙壁貫穿孔或大撞擊坑周圍形成小撞擊坑。隨著彈丸撞擊速度的繼續提高，當其超過第1速度閾值后，艙壁中心區域損傷最嚴重，并沿著徑向向外損傷程度逐漸減輕。

此外，擊穿防護屏后，彈丸形成碎片云，并發生熔化或氣化，熔化/氣化的碎片云具有較高的溫度和速度，當撞擊到面層纖維絲時，產生較高的沖擊壓力，并伴有多種沖擊現象，包括彈性波、塑性波和流動波。而纖維絲在橫波和縱波的作用下發生解體，以短纖維、纖維團或纖維束的形式噴向艙壁，使艙壁損傷區有黑色噴濺物和絲狀物，如圖7(c)所示，其中黑色噴濺物為金屬鋁液化或氣化噴射物和填充層纖維絲燒蝕后的噴射物；絲狀物為Kevlar纖維絲，其都以束狀或團狀出現，一般位于黑色噴濺區邊界處。隨著撞擊速度的提高，這些絲狀物逐漸被燒蝕碳化，由于碳化粉末仍有較高的溫度，其可以造成艙壁正面燒蝕損傷，如圖7(d)所示。

圖7 艙壁的超高速撞擊損傷Fig.7 Hypervelocity impact damage of rear wall

2.3 防護機理

圖8 玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構防護機理Fig.8 Protection mechanism of basalt/Kevlar stuffed shields

玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構的防護機理如圖8所示，彈丸撞擊鋁合金防護屏，在撞擊界面產生巨大的沖擊壓力。

如撞擊速度較低時，沖擊壓力不足以使彈丸破碎，彈丸貫穿防護屏，頭部產生塑性變形，飛行速度降低，其繼續撞擊纖維布填充層，纖維面層主要通過玄武巖纖維絲的剪切斷裂和Kevlar纖維絲拉伸變形消耗彈丸動能，使彈丸剩余能量造成的艙壁損傷減輕。

如果撞擊速度較高，彈丸和防護屏在沖擊壓縮波擾動下破碎，并使彈丸和防護屏材料產生液化或者氣化，形成高溫碎片云，高溫碎片云撞擊纖維布填充層，根據2.2.2和2.2.3節可知，玄武巖纖維絲切割碎片，使碎片進一步細化，Kevlar纖維絲對細化碎片進行攔截。

此外，高溫高速碎片云使纖維絲體解，燒蝕并粉末化，在艙壁正面形成較大噴濺區，噴濺區面積較大，使得作用在艙壁單位面積上的能量較小，從而減小了對艙壁的損傷。

綜上所述，玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構通過填充層消耗、吸收和分散彈丸或碎片云的能量，以起到更好的防護效果。

3 結 論

(1)通過超高速撞擊實驗研究了玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構的撞擊極限，與同等面密度的Nextel/Kevlar填充防護結構和三層鋁防護屏進行比較，得出玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構的防護性能優于三層鋁防護屏的防護性能，且也已經達到Nextel/Kevlar填充防護結構的防護水平，完全可以作為一種新的用于空間碎片防護的填充防護結構。

(2)研究了防護屏、填充層和艙壁的超高速撞擊損傷特性，分析了造成防護屏、填充層與艙壁不同損傷形貌的原因，初步探索了玄武巖/Kevlar填充防護結構的防護機理。玄武巖纖維布破碎彈丸，使彈丸或碎片破碎，同時連同Kevlar纖維布一起消耗、吸收彈丸的撞擊能量，使玄武巖/Kevlar纖維布填充防護結構具有和Nextel/Kevlar填充防護結構類似的防護效果，優于三層鋁防護屏的防護性能。

下一步工作重點是，進一步擴大超高速撞擊實驗的速度范圍，深入分析撞擊極限的彈丸形狀效應。

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(責任編輯 張凌云)

Ballistic limit and damage properties of basalt/Kevlar stuffed shield

Jia Guzhai1,2, Ha Yue1, Pang Baojun1, Guan Gongshun1, Zu Shiming1

(1.SchoolofAstronautics,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,Heilongjiang,China;2.YantaiBranch,No.52InstituteofChinaOrdnanceIndustries,Yantai264003,Shandong,China)

In order to study the ballistic limits and damage properties of the basalt/Kevlar stuffed shields, hypervelocity impact tests were carried out by non-power two-stage light-gas gun facilities. The ballistic limit curves were fitted with the test data, and compared with those of the Nextel/Kevlar stuffed shields and the all-aluminum triple-wall shields with the same areal density. The results indicate that the protection property of the basalt/Kevlar stuffed shields is the same as that of the Nextel/Kevlar stuffed shields, and better than that of the all-aluminum triple-wall shields. Further, the hypervelocity impact damage properties of the first bumper, the stuffed layer, and the rear wall were investigated. The reasons were analyzed which caused the damage types of the bumpers different, and the protection mechanisms of the basalt/Kevlar stuffed shields were explored. The results show that the basalt fabrics broke the aluminum projectiles into pieces, and the Kevlar fabrics absorbed and dissipated the energy of the aluminum projectiles or debris clouds.

mechanics of explosion; ballistic limit; hypervelocity impact; stuffed shield; basalt fabric; damage properties

10.11883/1001-1455(2016)04-0433-08

2014-12-08；

2015-05-14

國家自然科學基金項目(11172083)

賈古寨(1989— )，男，碩士，實習研究員;

哈 躍，hayue@hit.edu.cn。

O381國標學科代碼：13035

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