含能材料防護屏在球形彈丸超高速撞擊下的穿孔特性研究

武強， 張慶明， 龍仁榮， 龔自正

(1.北京衛星環境工程研究所， 北京 100094； 2.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室, 北京 100081)

含能材料防護屏在球形彈丸超高速撞擊下的穿孔特性研究

武強1， 張慶明2， 龍仁榮2， 龔自正1

(1.北京衛星環境工程研究所， 北京 100094； 2.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室, 北京 100081)

以空間碎片防護設計為工程應用背景，將亞穩態含能材料應用于空間碎片防護結構。利用二級輕氣炮對聚四氟乙烯/鋁(PTFE/Al)含能材料防護結構進行了不同面密度、不同彈丸直徑、不同速度的超高速撞擊實驗,獲得了撞擊過程中的高速攝像圖片及光學高溫計信號。分析結果表明，含能材料防護屏超高速撞擊瞬間發生了可靠的沖擊起爆反應，根據反應度的不同可分為沖擊爆轟區、破碎爆燃區、零反應破碎區3個區域。基于實驗結果，建立了鋁合金彈丸超高速撞擊PTFE/Al含能材料防護屏穿孔直徑的無量綱經驗公式。利用實驗與分析結果驗證了數值模擬的有效性，獲得了環境溫度對PTFE/Al含能材料防護屏超高速撞擊穿孔特性的影響規律。

爆炸力學； 聚四氟乙烯/鋁含能材料； 超高速撞擊； 穿孔過程； 穿孔直徑

0 引言

自從1957年第一顆人造衛星發射以來，為了滿足各種航天器的防護需求，美國航空航天局、俄羅斯聯邦航天局和歐洲太空局基于Whipple防護結構開發設計了多種增強型防護結構，包括多層沖擊防護結構[1-2]、波紋防護屏防護結構[3]、網狀防護結構[4]、加強肋防護結構[5]、填充式Whipple防護結構[6]、柔性可展開防護結構[7]等，應用的防護材料主要有鋁合金、蜂窩板、泡沫鋁、Kevlar纖維布、Nextel纖維布、玄武巖纖維布[8]、密度梯度材料[9]等。但所有防護結構材料的選擇均為惰性材料，由于防護機理單一，且防護裝置尺寸具有嚴格的要求，很大程度上制約了防護結構對大尺寸碎片的防護效果，目前常用的防護結構基本只能夠承受住小于1 cm的空間碎片撞擊。近年來，隨著厘米級空間碎片的持續增多，航天器撞擊失效概率大幅提高，這對航天器空間碎片防護能力提出新的挑戰，進行能夠抵御厘米級空間碎片的新型防護結構的探索、設計成為當前迫切的需求。

聚四氟乙烯/鋁(PTFE/Al)是一種沖擊引發的含能材料，與常規惰性構件的本質區別在于含能反應材料具有化學潛能，且可在沖擊加載下被引發反應并釋放其化學潛能，并對目標造成穿甲、燃燒、內爆等多種形式的綜合毀傷效應，國內外研究主要是利用含能材料的沖擊起爆特性來增強戰斗部的毀傷效果。文獻[10]首次將PTFE/Al含能材料應用于空間碎片防護結構防護屏，通過開展超高速撞擊對比實驗，證明了含能材料防護結構的有效性。分析含能材料防護屏的超高速撞擊穿孔特性不僅是空間碎片防護結構分析和設計的重要內容，對于研究彈丸在新型防護機理下的破碎過程也具有重要意義。

本文以二級輕氣炮作為加載手段，針對PTFE/Al含能材料防護屏，進行不同面密度、不同彈丸直徑、不同碰撞速度的超高速撞擊實驗，研究了含能材料防護屏超高速撞擊條件下的穿孔特性。利用PTFE/Al含能材料的沖擊起爆特性，結合高速攝像、高溫計信號分析了穿孔形成機理；分析PTFE/Al含能材料防護屏穿孔孔徑的實驗結果，給出鋁合金彈丸超高速撞擊PTFE/Al含能材料防護屏穿孔直徑經驗公式。

1 實驗方案與結果

1.1 實驗系統和方案

采用北京理工大學沖擊動力學實驗室二級輕氣炮進行實驗，該輕氣炮系統主要包括發射系統、配氣系統、磁測速系統、靶室及真空系統。該輕氣炮系統一級泵管口徑為57 mm，二級發射管口徑為14.5 mm，最高發射速度可達7.1 km/s，發射系統一級驅動氣體為氮氣，二級驅動氣體為氫氣。

超高速撞擊實驗靶板結構選用經典的Whipple防護結構(見圖1)，防護屏面密度分別為1.11 g/cm2、0.84 g/cm2，防護間距為10 cm，撞擊角度為0°，使用的彈丸材料為LY-12鋁合金，直徑分別為5.0 mm、6.0 mm、6.4 mm，彈丸撞擊速度范圍為2.3～6.1 km/s. 靶室中布置了光學高溫計，通過記錄撞擊瞬間碎片云的溫度變化，診斷PTFE/Al含能材料薄板超高速撞擊下的沖擊起爆特性，并采用高速攝像機記錄彈丸的超高速撞擊過程。

圖1 含能材料防護結構示意圖Fig.1 Whipple shield configuration

1.2 實驗結果

實驗中超高速撞擊瞬間圖像如圖2所示，因為爆炸反應本身伴有劇烈的發光過程，所以實驗中未設置光源，含能防護屏撞擊瞬間發生了可靠的沖擊起爆。但PTFE/Al含能材料不同于普通炸藥，不具有自持反應特性，只有在動能足夠大時才能維持自身爆炸反應，所以在側向稀疏波作用下，沿徑向的爆炸當到達一定距離時反應會自動停止，不用擔心沖擊起爆后像普通炸藥那樣全部殉爆。如圖3所示，這種特性也有利于該種材料的防護應用。

表1給出了不同實驗條件下含能材料防護屏穿孔直徑實驗結果，dp、Db分別為彈丸直徑和穿孔平均直徑。

圖2 超高速撞擊瞬間反應圖像Fig.2 Explosive reaction under hypervelocity impact

圖3 防護屏典型穿孔特征Fig.3 Typical perforation characteristics of Al/PTFE bumper

2 含能材料防護屏穿孔形成過程

表1 防護屏穿孔直徑統計

不同于惰性材料穿孔形成過程，PTFE/Al含能材料在彈丸撞擊的瞬間會發生沖擊起爆反應，擴孔機理發生變化，不只與彈丸撞擊的動能有關，還與材料的沖擊起爆特性有關。由回收的含能防護屏可以看到，孔徑達到3倍左右彈丸直徑后擴展過程停止。因PTFE/Al含能材料不具有自持反應特性，可以推斷超高速條件下其穿孔過程大致可以分為3個階段，分別為沖擊爆轟階段、破碎爆燃階段、零反應破碎階段：

1)沖擊爆轟階段：彈丸與薄板撞擊瞬間在碰撞點形成瞬態高壓，將彈丸的部分動能傳遞給含能材料薄板，在超高壓作用下含能材料內能迅速增加，達到反應閾值后，材料內部的化學能瞬間釋放，具有類爆轟的特性。此時對應的穿孔區域為沖擊爆轟區，如圖4所示。文獻[11]通過平面沖擊實驗證明PTFE/Al在超過15 GPa壓力下可以瞬間發生類爆轟反應，反應度為1.

2)破碎爆燃階段：薄板內沖擊波接近于球面波，沿徑向傳播過程中，來自薄板兩個自由表面的稀疏波使沖擊波逐漸衰弱，此時含能材料不足以迅速發生起爆反應，而是首先發生破碎，與彈丸顆粒一起以碎片云的形式向前拋出。當達到材料反應成長所需的時間后，能量以爆燃的形式釋放，對應的穿孔區域為破碎爆燃區，如圖4所示，此時材料的能量釋放率明顯降低，反應度小于1.

3)零反應破碎階段：隨著徑向傳播距離的增大，沖擊波強度進一步減小，雖然含能材料依然能夠發生破碎，但此時材料內部沉積的內能不足使其發生任何化學反應，所以此部分含能材料破碎后會以碎片的形式存在。同時，在薄板兩側稀疏波的卸載作用下，沖擊波逐漸衰弱，最終導致破碎區域停止擴展，如圖4所示。

圖4 PTFE/Al含能材料防護屏穿孔區域示意圖Fig.4 Schematic diagram of PTFE/Al perforation

實驗中高溫計測量信號及高速攝像結果證明了上述分析的正確性。

超高速撞擊實驗過程中，六通道瞬態光學高溫計光學探頭置于PTFE/Al含能材料防護屏與后板之間，通過記錄含能材料沖擊反應后的輻射特性，準確測量其反應溫度，典型高溫計測量結果如圖5所示。由圖5可以看到，彈丸與含能薄板碰撞之后的溫度變化為雙峰結構。第1個峰的最高溫度為3 825 K，第2個峰的最高溫度只有2 870 K，明顯低于第1個峰。彈丸接觸區域的瞬間爆轟反應，對應第1個峰值，隨著孔徑的增大，爆轟轉爆燃，溫度逐漸減??；孔徑繼續擴大到破碎零反應區域，此區域材料在破碎瞬間并沒有發生沖擊起爆反應，而是在飛行一段時間后因與后板發生2次撞擊而反應，此時溫度對應第2個峰值，說明材料的能量釋放率降低。

圖5 典型高溫計信號Fig.5 Typical measured result of pyrometer

同樣的，由高速攝像圖片(見圖6)發現，在反應后期，圖像視野中漂浮有非常多的微小片狀碎片，而此時距彈丸撞擊已有足夠長的時間，所以可以排除彈丸破碎產生碎片的可能，應為未反應的含能材料防護屏碎片，這些碎片的對應區域應該是零反應破碎區。

圖6 典型高速攝像圖片Fig.6 Typical high speed photographs

3 含能材料防護屏穿孔規律

防護屏的超高速撞擊穿孔特性是空間碎片防護結構分析和設計的重要內容。傳統惰性材料防護屏的損傷形式多以穿孔為主，彈丸撞擊防護屏形成碎片云的同時，防護屏孔壁不斷地沿徑向向外擴展，但擴展速率隨時間迅速減小，在孔徑大約達到3倍彈丸直徑時，孔壁擴展過程停止，目前已經有大量描述彈丸超高速撞擊金屬薄板等惰性材料穿孔直徑的經驗公式[12-15]，但是無法對PTFE/Al含能材料的穿孔特性進行很好的描述。

決定PTFE/Al含能材料防護屏穿孔直徑Db的參數包括兩類：

1)彈丸參數：直徑dp，撞擊速度vp，密度ρp，聲速cp.

2)PTFE/Al含能材料防護屏參數：厚度tb，密度ρb，強度σb，聲速cb，爆速D.

穿孔直徑Db與上述諸量存在確定的函數關系，即

Db=F(dp,vp,ρp,cP,tb,ρb,σb,cb,D).

(1)

根據量綱理論的π定理，可得如下無量綱函數關系：

(2)

穿孔直徑Db與彈丸直徑dp之比稱為含能材料防護屏的無量綱穿孔直徑。PTFE/Al為彈塑性材料，可將分析中代表強度效應的應力參數取為屈服強度。前文超高速撞擊實驗中，主要的變化參數為彈丸直徑、撞擊速度以及PTFE/Al含能材料防護屏厚度、彈靶材料密度沒有變化，且超高速撞擊條件下，PTFE/Al的爆速可視為定值，所以無量綱比ρp/ρb與D/cb為常數，不計材料可壓縮性的影響，(2)式簡化為

(3)

參照國內外穿孔直徑經驗公式[13,16]，將(3)式整理成為冪次關系，即

(4)

式中:ω、α、β均為待定常數。對兩邊進行對數運算，可得

(5)

利用表1中的實驗數據，對(4)式進行多元線性回歸分析，可得到鋁合金彈丸超高速撞擊PTFE/Al含能材料防護屏穿孔直徑經驗公式為

(6)

(6)式適用的速度范圍為2.31～6.08 km/s. 根據(6)式得到的無量綱穿孔直徑隨撞擊速度vp變化的關系曲線與實驗結果的對比如圖7所示。由圖7中可以看出，回歸值與實驗值的誤差正負比均衡，回歸方程曲線與實驗結果吻合得較好。

由圖7可知，對于面密度為0.84 g/cm2的PTFE/Al含能材料薄板，無量綱穿孔直徑隨撞擊速度的增大而非線性增大。實驗1面密度為1.11 g/cm2，此時對應的無量綱穿孔直徑為3.96，明顯大于相同速度條件下實驗2對應的無量綱穿孔直徑，說明無量綱穿孔直徑隨PTFE/Al含能材料薄板面密度的增大而增大。

圖7 無量綱穿孔直徑多元線性回歸曲線與實驗結果對比Fig.7 Comparison of perforation diameter curves with experimental results

4 穿孔特性的數值模擬

4.1 計算模型

超高速撞擊數值模擬的有效性很大程度上取決于材料模型的選取及參數的準確性，建模時彈丸及含能薄板均采用SPH算法。對于LY-12鋁合金彈丸，考慮到超高速撞擊下的相變問題，采用Tillotson狀態方程，參數如表2所示[17]，其中A、a、b為擬合常數，B、e0、e1、e2為調節參數，α、β為材料常數。對于PTFE/Al含能材料薄板，考慮到超高速撞擊條件下的沖擊起爆特性，材料狀態方程采用改進的Lee-Tarver點火增長模型，對應的爆熱為14.9 kJ/g，參數如表3所示[17]，其中ρ為材料密度，I、x、γ、G、y、Z是與含能材料相關的6個常數。彈丸與含能薄板兩種材料的本構模型均采用Johnson-Cook本構模型，參數如表4所示[17]，其中ρ為材料密度，Y0為材料在準靜態條件下的屈服強度，B和n分別為應變硬化常數和指數，C為應變率硬化常數，m為溫度軟化指數，Tm為材料熔化溫度。

表2 LY-12鋁合金Tillotson狀態方程參數

表3 PTFE/Al 含能材料Lee-Tarver方程參數

表4 材料的Johnson-Cook模型參數

4.2 有效性驗證

為了驗證SPH算法、材料參數的可靠性，根據實驗工況，對防護屏的穿孔特性進行了數值模擬研究。圖8為PTFE/Al含能材料穿孔形成過程的反應度云圖，從中可以看到靶板材料形成的碎片云由內到外分為3個區域，分別為完全反應區、不完全反應區和未反應區，剛好對應含能材料防護屏穿孔的沖擊爆轟區、破碎爆燃區及零反應破碎區。

圖8 PTFE/Al防護屏穿孔形成過程的反應度云圖Fig.8 Reaction ratio of PTFE/Al during perforation

防護屏穿孔直徑的數值模擬與實驗結果對比如圖9所示。從圖 9可以看出，兩種結果基本一致，最大誤差控制在8%以內。總體來看，數值模擬結果與實驗結果符合得比較好，說明采用的數值模擬方法及材料參數能夠正確地反映PTFE/Al含能材料防護結構超高速撞擊下的損傷特性。

圖9 無量綱穿孔直徑實驗與數值模擬結果對比Fig.9 Comparison of experimental and simulated dimensionless perforation diameters

4.3 溫度對穿孔特性的影響

航天器在太空中飛行時，空間環境溫度變化劇烈，受陽光直接照射的一面，可產生高達200 ℃以上的高溫；而背陰的一面，溫度則可低至-100～-200 ℃. 航天器最外層防護結構的防護性能必將受到劇烈影響，所以研究溫度對含能材料防護結構超高速撞擊特性的影響對于評估防護結構性能具有重要參考價值。受當前實驗條件的限制，本研究采用數值模擬的方法分析溫度對PTFE/Al含能材料穿孔特性的影響。

研究表明[16]，溫度由-100～200 ℃變化時并沒有明顯影響PTFE/Al含能材料的沖擊反應特性，但導致PTFE/Al含能材料力學性能劇烈變化，具有明顯的溫度軟化效應。本文在分析溫度對防護結構超高速撞擊特性的影響時，主要考慮溫度對含能材料動態力學性能的影響，通過將-100 ℃、25 ℃、200 ℃對應的屈服應力輸入計算模型，研究高低溫環境對穿孔特性的影響。圖10給出了不同環境溫度、不同撞擊速度下穿孔直徑與板厚之間的變化關系。

由圖10可以看出，相同撞擊速度下，不同環境溫度下的穿孔直徑均與防護屏厚度之間近似為線性關系，且隨厚度的增大而增加。溫度對含能材料防護屏穿孔具有一定的影響，相同撞擊速度條件下，隨著溫度的升高，防護屏穿孔直徑逐漸增大；溫度由-100 ℃變化為常溫25 ℃時穿孔直徑增大的幅值明顯高于溫度由25 ℃變化為200 ℃時，這是因為溫度由-100 ℃變化為常溫25 ℃材料的屈服強度急劇減小，材料的熱軟化現象顯著，而溫度由25 ℃增大到200 ℃時，材料的熱軟化現象明顯減弱。

圖10 不同環境溫度下穿孔直徑與板厚之間的變化關系Fig.10 Relationship between perforation diameter and plate thickness at different ambient temperatures

5 結論

本文以二級輕氣炮作為加載手段，對PTFE/Al含能材料薄板進行超高速撞擊實驗，結合高速攝像、光學高溫計測試設備，研究了含能材料防護屏超高速撞擊條件下的穿孔特性，結論如下：

1)高速攝像與高溫計測量結果表明，PTFE/Al含能材料薄板超高速撞擊瞬間發生了可靠的沖擊起爆反應，且沖擊起爆后不會像普通炸藥那樣全部殉爆，這種特性有利于該種材料的防護應用。

2)根據PTFE/Al含能材料沖擊起爆特性，分析得到了其超高速撞擊條件下擴孔的3個階段：沖擊爆轟階段、破碎爆燃階段、零反應破碎階段，并結合高速攝像、高溫計信號證明了本文分析的正確性，為后續PTFE/Al含能材料防護機理的分析奠定了基礎。

3)分析了PTFE/Al含能材料防護屏穿孔孔徑的變化規律，根據量綱理論，利用多元線性回歸分析方法，建立了鋁合金彈丸超高速撞擊PTFE/Al含能材料防護屏穿孔直徑的無量綱經驗公式。

4)利用數值模擬，研究了環境溫度對PTFE/Al含能材料防護屏超高速撞擊穿孔特性的影響。結果表明，在-100～200 ℃范圍內，不同環境溫度下的穿孔直徑均與防護屏厚度近似為線性關系，相同撞擊速度條件下，隨著溫度的升高，防護屏穿孔直徑逐漸增大。

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PerforationCharacteristicsofEnergeticMaterialShieldInducedbyHypervelocityImpactofSphericalProjectile

WU Qiang1， ZHANG Qing-ming2, LONG Ren-rong2, GONG Zi-zheng1

(1.Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China; 2.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

The metastable energetic materials were prepared for the space debris shield. Hypervelocity impact tests of PTFE/Al energetic material shield under the conditions of different areal densities, projectile diameters, and impact velocities were conducted by using two-stage light gas gun, and the high speed photographs and the signals from optical pyrometer during impacting were obtained. The analysis results show that the shock initiation of PTFE/Al energetic material shield occurs in the instant of hypervelocity impact, and the perforation process can be divided into three stages: shock detonation, fracture and deflagration, and zero reaction and crushing. A dimensionless empirical expression for perforation diameter of PTFE/Al shield is established based on the experimental results of hypervelocity impact. The effect of ambient temperature on the perforation characteristics of energetic material shield is investigated.

explosion mechanics； PTFE/Al energetic material; hypervelocity impact; perforation process； perforation diameter

O385； TB34

A

1000-1093(2017)11-2126-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.11.007

2017-01-10

國家重點基礎研究發展計劃項目(613311)

武強(1987—)， 男， 工程師， 博士。 E-mail: wuqiang12525@126.com