Al/Mg 波阻抗梯度材料加強型Whipple 結構超高速撞擊特性研究*

張品亮，宋光明，龔自正，田東波，武 強，曹 燕，李 宇，李 明

（1. 北京衛星環境工程研究所，北京 100094；2. 中國空間技術研究院，北京 100094）

Whipple 防護結構能夠顯著提升航天器抵御空間碎片超高速撞擊的能力[1]。目前，國際上已經基于Whipple 結構提出了多種構型的防護結構來提升航天器的空間碎片防護能力[2-4]。防護結構的原理是在艙壁外一定距離處放置防護屏來破碎入射物體，通過防護屏與艙壁之間的間距使碎片充分擴散，將點撞擊轉化為面撞擊從而降低對艙壁的損傷。因此，防護屏決定著彈丸的初始破碎過程，是決定防護結構性能的主要因素[5]。

波阻抗梯度材料加強型Whipple 結構的防護性能在以往的研究中已被證明[6-9]，其采用阻抗梯度材料替換均質鋁合金防護屏。Huang 等[6]和侯明強等[8]分別研究了Fe77Si14B9/LY12 和Ti6Al4V/LY12/PA66 梯度材料加強結構的超高速撞擊特性，驗證了其優異的防護性能，發現防護屏表面的高阻抗涂層能夠在彈丸中產生更高的沖擊壓力和溫升，使彈丸破碎程度提高。此外，波的傳播和沖擊波反射行為在阻抗梯度屏與單層屏中表現不同，阻抗梯度屏中的沖擊波通過多次反射和透射而具有更高的能量耗散率[10]。雖然目前針對阻抗梯度材料已經開展了少量超高速撞擊實驗研究，但是對阻抗梯度材料超高速撞擊特性和防護機理并未形成規律性認識。Zhang 等[9]對防護屏面密度等效于1.0 mm 厚鋁合金的Al/Mg 防護結構在3.5 和6.5 km/s 沖擊速度下的超高撞擊特性進行了研究，但并未開展5.0 km/s 沖擊速度下的超高速撞擊實驗及多種面密度Al/Mg 防護屏的超高速撞擊特性研究。

本文中提出了一種由鋁合金表層和鎂合金基底組成的新型Al/Mg 阻抗梯度防護屏。不同于以往的波阻抗梯度防護屏，其面密度與1.5 mm 厚的鋁合金相同，具有與鋁合金防護屏相同的沖擊耦合過程。采用文獻[9]中的研究方法，通過初步超高速撞擊對比分析實驗，研究了新型Al/Mg 防護結構在5.0 km/s 沖擊速度下的超高速撞擊特性，結合理論分析研究了影響其防護性能的主要因素。

1 實驗方法

Al/Mg 防護屏由0.8 mm 厚的2A12 鋁合金和1.1 mm 厚的AZ31B 鎂合金組成，通過擴散焊方式制備[11]。采用二級輕氣炮在5.0 km/s 沖擊速度下開展了Al/Mg 防護結構超高速撞擊實驗，彈丸材質為2A12 鋁合金。還開展了鋁合金防護結構對比實驗，防護屏為1.5 mm 厚的2A12 鋁合金。在所有實驗中，后墻均為2.5 mm 厚的5A06 鋁合金，防護屏與后墻的間距為100 mm，防護屏的面密度為0.419 g/cm2。圖1(a)為超高速撞擊實驗原理圖。實驗中采用序列激光陰影照相技術記錄碎片云的產生過程。失效準則定義為后墻后表面有材料剝落或清晰的穿孔，臨界狀態為后墻出現層裂鼓包并伴隨著單一的非穿透裂紋。表1 給出了實驗參數，其中D和v0分別為彈丸直徑和初始速度，d為防護屏的厚度。

圖1 實驗原理示意圖及防護結構實物圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental principle and photo of a Whipple shield

表1 超高速撞擊實驗參數與結果Table 1 Hypervelocity impact test conditions and results

2 實驗結果

2.1 防護屏損傷特征

圖2(a)和圖2(b)分別為鋁合金和Al/Mg 防護屏的穿孔形貌。可以看出，穿孔均為圓形，邊緣出現花瓣狀翻邊。與鋁合金防護屏相比，Al/Mg 防護屏上翻邊更明顯，邊緣高度更大。Al/Mg 防護屏的穿孔直徑為13.5 mm，大于鋁合金防護屏的穿孔直徑12.2 mm。此外，Al/Mg 防護屏受撞擊后出現鋁合金與鎂合金層剝離現象。

圖2 防護屏受撞擊后形成的穿孔形貌Fig.2 Perforation morphologies of shield bumpers subjected to impact

2.2 碎片云特征

通常，碎片云由反噴、擴散和主體結構3 部分組成。主體結構可分為前端、中心和后部3 個區域[12]。圖3(a)為直徑為5.25 mm 的鋁彈丸以4.893 km/s 的速度撞擊鋁合金防護屏所產生的碎片云形貌，可以看出彈丸撞擊鋁合金防護屏后，碎片云結構清晰分明，質量主要集中在碎片云前端。圖3(b) 為直徑為5.25 mm 的鋁彈丸以4.826 km/s 的速度撞擊Al/Mg 防護屏所產生的碎片云形貌，碎片云主體結構邊界無法分辨，未出現彈丸撞擊速度為6.5 km/s 時明顯的前端外泡現象[9]，從探測光透過率可以看出，其碎片云的質量分布更均勻。此外，Al/Mg 防護屏較鋁合金防護屏所產生碎片云的顆粒度更細化。

根據碎片云激光陰影序列圖像可計算得到碎片云的軸向速度va(頭部速度)和徑向速度vb(擴散速度)。鋁合金和Al/Mg 防護屏所產生碎片云軸向速度分別為5.603 和5.558 km/s，徑向速度分別為2.486 和2.696 km/s。可見，Al/Mg 碎片云的頭部速度低于鋁合金碎片云的頭部速度，而其徑向速度高于鋁合金碎片云的徑向速度。Al/Mg 碎片云的擴散半角為25.9°，大于鋁合金碎片云的擴散半角23.9°。

圖3 彈丸撞擊防護屏所產生的碎片云形貌Fig.3 Morphologies of debris cloud induced by impact of projectiles on shield bumpers

2.3 后墻損傷特征

圖4(a)和圖4(b)為2 種防護結構受5.0 km/s 鋁彈丸撞擊后的后墻前表面損傷形貌。通常，可以通過表面形貌判斷受撞擊后材料是否發生相變。后墻損傷區域可分為中心撞擊坑區、環形撞擊坑區和擴散撞擊坑區3 個區域。在Test 1-1 中，彈丸撞擊鋁合金防護結構后，在后墻形成的3 個撞擊坑區域存在明顯邊界。在Test 1-2 中，彈丸撞擊Al/Mg 防護結構后，未出現明顯的環形撞擊坑區域，后墻損傷區域由中心撞擊坑區和擴散撞擊坑區組成，且存在明顯的邊界，未出現明顯的液化或氣化痕跡。這說明在2 次實驗中碎片云中的材料均未發生明顯相變[13]，撞擊坑主要由固態彈丸碎片和固態防護屏碎片撞擊而形成。但是，當撞擊速度達到6.5 km/s 時，部分防護屏材料將液化或氣化[9]。

通過測量中心撞擊坑區域的直徑來獲得固態彈丸碎片的擴散范圍，如圖4 中的圓形區域所示。結果表明：Test 1-2 中心撞擊坑區域直徑為51.3 mm，大于Test 1-1 的41.0 mm。這說明在相同撞擊條件下Al/Mg 碎片云的擴散區域大于鋁合金碎片云的擴散區域。在擴散區域中，2 種撞擊條件下撞擊坑的排列方式明顯不同：在鋁合金結構中撞擊坑在中心撞擊區域周圍呈放射型排列，如圖4(a) 所示；而在Al/Mg 結構中，撞擊坑在中心撞擊區域周圍呈無序排列，如圖4(b)所示。Al/Mg 結構中的平均撞擊坑直徑小于鋁合金結構的平均撞擊坑直徑。

Al/Mg 結構和鋁合金結構后墻后表面的損傷形貌如圖4(c)和圖4(d)所示。在Test 1-1 中，后墻軸線附近形成嚴重的塑性變形，伴隨有大量層裂裂紋，并且周圍存在多處穿孔和材料剝落，明顯為失效狀態，如圖4(c)所示。對于Test 1-2，與Test 1-1 相比其結構后墻后表面的損傷程度明顯減輕，僅出現一個中心鼓包和環形鼓包區，在軸線上出現一個輕微的層裂裂紋，可定義為臨界狀態。這說明在5.0 km/s 的撞擊速度下，Al/Mg 結構與鋁合金結構相比具有更優異的防護性能。

圖4 2 種防護結構受鋁彈丸以5.0 km/s 的速度撞擊后其后墻表面的損傷形貌Fig.4 Damage patterns on the rear wall surfaces of the two shield structures impacted by aluminum projectiles with the velocity of 5.0 km/s

3 分析與討論

與鋁合金防護結構相比，Al/Mg 防護結構的超高速撞擊特性具有4 個主要特征：(1)中軸線附近的損傷較輕微。由于中心大碎片決定著后墻中軸線上的損傷程度，因此撞擊Al/Mg 防護屏所產生碎片云的中心大碎片尺寸更小。(2)碎片云擴散半角大。(3)擴散撞擊坑區域內撞擊坑細化程度更高。(4)防護屏穿孔翻邊更明顯。

3.1 沖擊耦合過程

彈丸撞擊防護屏是一個沖擊耦合和沖擊波傳播的過程，沖擊波能量和沖擊波傳播過程決定著彈丸的破碎程度[14-15]。沖擊耦合過程不受靶材面密度(或厚度)的影響，主要由彈丸和靶材的波阻抗決定，波阻抗為材料密度和聲速的乘積。彈丸和防護屏接觸面的沖擊壓力pH可通過Hugoniot 關系得到[16]：

式中：下標“1”代表彈丸， ρ0為密度，c0為零壓體積聲速， λ 為材料常數；up為波后粒子速度，可通過阻抗匹配方法計算得到。表2 給出了計算中所用的材料參數，γ0為零壓Grüneisen 參數。在本文中，鋁彈丸撞擊鋁合金和Al/Mg 防護屏均為鋁-鋁碰撞事件，具有相同的沖擊耦合過程。在鋁彈丸以5.0 km/s 的速度撞擊時，沖擊波峰值壓力為59.8 GPa，沖擊壓力低于鋁的沖擊熔化壓力pm，因此，實驗中后墻撞擊坑主要由固態碎片撞擊而形成。

表2 材料沖擊耦合主要參數[17-19]Table 2 Key parameters of materials for shock coupling[17-19]

沖擊波能量產生過程和大小可通過球體撞擊平板沖擊耦合模型獲得[20]。假設接觸區域為一個長軸為ac和短軸為bc的橢圓形區域，沖擊波能量可通過下式得到[15]：

式中：us1為彈丸中的沖擊波速度，tc為接觸區域擴散至最大半徑的時間，tr為稀疏波到達中軸線的時間。

在Test 1-1 和Test 1-2 中，沖擊波能量Ec=38.9 J，長軸ac=1.3 mm，軸向沖擊波脈沖的厚度bc=0.31 mm。研究表明約有10%的沖擊波能量轉化為彈丸的熱能[15]，因此在本文實驗條件下，彈丸中約有3.9 J 的沖擊波能量轉化為彈丸熱能。根據熱力學定律計算得到：將直徑為5.25 mm 的鋁彈丸完全熔化需要111.5 J 的能量。因此，在5.0 km/s 的撞擊條件下，沖擊波轉化的熱能僅為彈丸完全熔化所需能量的3.5%，不足以使鋁彈丸熔化。

3.2 波傳播特性

沖擊波在阻抗梯度材料靶中的傳播過程受阻抗匹配的影響，這與沖擊波在均勻單層靶中的傳播過程不同。初始彈丸撞擊Al/Mg 防護屏后，將同時產生2 個反向傳播的沖擊波S1 和S2。卸載波R1 向中軸線傳播，對沖擊加載后區域進行卸載。當沖擊波由高阻抗面傳播至低阻抗面時，將在界面處同時產生一個透射沖擊波和反射稀疏波。因此，S2 到達鋁合金-鎂合金界面時將同時形成反射稀疏波R2 和透射沖擊波S2′。稀疏波R2 向彈丸中傳播并追趕S1。如果R2 不能追趕上S1，整個彈丸將被壓縮并形成溫升，然后沖擊波S1 到達彈丸自由面反射一個稀疏波R3。當R2 與R3 相遇，將形成拉伸作用，如果拉伸應力超過材料強度，將發生層裂或斷裂。當透射波S2′到達Al/Mg 屏的自由面時，將再次向彈丸中反射一個稀疏波R4。當R4 與R3 疊加，則再次出現層裂。層裂層為一個新的界面，稀疏波在層裂層和界面處來回反射使彈丸完成破碎。也就是說，Al/Mg 結構中形成的細化中心大碎片是由多次層裂現象造成的，這不同于單層鋁合金的單點層裂現象[9]。

通常，d/D決定了彈丸在固定撞擊速度下的初始破碎閾值。在本文實驗中，鋁合金防護屏和Al/Mg 防護屏的d/D分別為0.286 和0.152(在Al/Mg 中，d為鋁合金層的厚度)，均大于在5.0 km/s 時的初始破碎閾值0.024[21]，這說明防護屏中反射的稀疏波未對彈丸中的初始沖擊波產生影響。

實驗中鋁合金和鎂合金層中的沖擊波速度可通過關系式us=c0+λup計算得到，分別為8.595 和8.288 km/s。沖擊波到達鋁合金防護屏和Al/Mg 防護屏自由面的時間分別為0.175 和0.226 μs。可以看出沖擊波在Al/Mg 屏中的傳播時間明顯長于其在鋁合金屏中的傳播時間，這使得彈丸和防護屏中的沖擊波有充分的時間轉化為內能，并且由于延長了稀疏波的作用時間，稀疏波的拉伸作用使碎片云的擴散角更大。

3.3 熱力學狀態

沖擊波加載是一個非等熵的過程，卸載是一個等熵過程，材料的終態將獲得溫升。沖擊加載過程所做的功數值上等于p-V圖上瑞利線以下覆蓋的面積，沖擊加載過程所產生的內能EH為[22-23]：

式中：p0為初始壓力，V0和VH分別為初始和達到阻抗匹配壓力后的比容。材料在等熵卸載到零壓的過程中，沖擊壓縮的內能會被釋放，釋放的內能ES由等熵線p(S)以下的面積決定：

式中：VR為卸載后的比容。材料的殘余內能ΔE為沖擊加載過程產生的內能與卸載過程釋放的內能之差：

Al/Mg 防護屏的殘余內能為[9]：

式中：d為各層材料的厚度，下標“b1”代表2A12 層，“b2”代表AZ31B 層。在撞擊速度為5.0 km/s 時，Al/Mg 防護屏中的殘余內能為0.716 MJ/kg，與鋁合金屏的殘余內能0.526 MJ/kg 相比，Al/Mg 防護屏中的ΔE增加了36.1%。這驗證了文獻[9]中的結論：隨著溫升的增大材料層裂強度降低，受撞擊后防護屏更易產生細化的碎片，這就是后墻擴散區域內撞擊坑尺寸更小的原因。

4 結 論

本文中研究了一種新型Al/Mg 波阻抗梯度材料加強型Whipple 結構的超高速撞擊特性。在5.0 km/s 的撞擊速度下，針對具有同等面密度的Al/Mg 結構與鋁合金結構初步開展了超高速撞擊對比實驗，結果表明：撞擊過程中未出現液化或氣化現象，Al/Mg 結構具有更優異的防護性能。由于2 次實驗均為鋁-鋁撞擊事件，2 種類型防護屏在相同撞擊條件下具有相同的沖擊波壓力和能量：59.8 GPa、38.9 J。基于沖擊波理論分析了沖擊波傳播和熱力學狀態，結果表明：Al/Mg 防護屏改變了沖擊波的傳播路徑和時間，沖擊波到達防護屏自由面的時間由鋁合金防護屏的0.175 μs 增長至0.226 μs，使彈丸和防護屏材料有足夠的時間破碎和溫升，并且使彈丸碎片擴散的區域更廣。多層裂現象提升了彈丸的破碎程度，使碎片云中心的大碎片明顯細化。此外，在撞擊速度為5.0 km/s 時，Al/Mg 防護屏中的殘余內能與鋁合金防護屏中的殘余內能相比增加了36.1%。不同面密度的Al/Mg 結構均具有較高的內能轉化率，表現出優異的動能耗散特性。因此，除在防護屏中采用高阻抗的迎撞擊面來提升沖擊壓力和溫升從而提升彈丸破碎程度外，通過改變防護屏的波阻抗梯度特征，也能實現彈丸和防護屏碎片的細化，并且能夠耗散更多的系統動能。波阻抗梯度材料為一種具有潛在應用前景的空間碎片防護屏材料，未來需要開展更多的超高速撞擊實驗，對其超高速撞擊特性和防護性能進行進一步驗證，此外，可開展不同面密度波阻抗梯度材料防護屏設計，來滿足不同類型航天器的防護需求。