活性Whipple 結構超高速撞擊防護性能實驗研究*

武 強，張慶明，龔自正，任思遠，劉 海

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)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；3. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所，四川 綿陽 621000）

近年來空間碎片環(huán)境日益惡化，截止到2019 年，尺寸為1～10 cm 的空間碎片數(shù)量約為75 萬個，尺寸為1～10 mm 的碎片數(shù)量超過1.5 億個，未來50 年空間碎片數(shù)量將以每年10%的速度增長[1]。航天器和空間碎片碰撞時的平均相對速度為10 km/s，一旦撞擊將導致航天器表面被損傷或破壞，引起部件、分系統(tǒng)甚至整個航天器失效。

為提高航天器在惡劣空間碎片環(huán)境中的生存能力，自20 世紀80 年代以來，NASA、ESA、JAXA 等基于傳統(tǒng)Whipple 防護結構進行了大量的超高速撞擊實驗，研制出多種高性能防護結構，選擇的材料主要有高強度鋁合金板、鋁網(wǎng)、泡沫鋁、蜂窩板、Nextel 陶瓷布、Kevlar 纖維布等[2-5]。我國航天器空間碎片防護研究工作起步較晚，缺少高性能防護材料，面對空間碎片防護工程需求日趨強烈的現(xiàn)狀，一些學者開展了高性能防護材料的研制工作，并得到了初步的工程應用。賈古寨等[6]研究制備了高性能玄武巖纖維織物，并進行了超高速撞擊實驗研究，獲得了其超高速撞擊損傷與防護機理；王應德等[7]研究制備了高性能SiC 纖維織物，開發(fā)了國產(chǎn)高性能SiC 纖維織物填充防護結構，并建立了對應撞擊極限；侯明強等[8]提出將阻抗梯度材料應用于空間碎片防護，并系統(tǒng)研究了阻抗梯度材料及其防護結構的超高速撞擊特性，獲得了材料和結構的最優(yōu)設計方案。盡管航天器空間碎片防護結構材料多樣，但均為惰性材料，由于防護機理單一，很大程度上制約了防護結構對大尺寸空間碎片的防護能力。

PTFE/Al 是一種沖擊引發(fā)的活性材料，可在沖擊加載下被引發(fā)反應釋放化學潛能，并對目標造成穿甲、燃燒、內(nèi)爆等多種形式的綜合毀傷效應。學者們圍繞活性材料動態(tài)力學特性、沖擊反應釋能特性、高效毀傷戰(zhàn)斗部應用等進行了大量的理論分析與實驗研究，但均以增強戰(zhàn)斗部的毀傷效果為研究背景[9-13]。因此，開展PTFE/Al 活性材料超高速撞擊實驗研究，獲取防護結構的損傷與防護特性，對航天器空間碎片防護能力的提高具有重要意義。本文中利用二級輕氣炮開展活性材料防護結構的超高速撞擊實驗，結合防護結構在不同撞擊條件下的碎片云與后板損傷特性，探討活性材料防護性能，擬合得到撞擊極限曲線。

1 超高速撞擊實驗

1.1 PTFE/Al 活性材料薄板的制備

實驗中作為防護屏的PTFE/Al 是一種零氧配比的活性材料，采用冷壓燒結制備工藝，經(jīng)混合、干燥、壓制、燒結而成。其中PTFE 的質(zhì)量分數(shù)為73.5%，Al 的質(zhì)量分數(shù)為26.5%，表1 中給出了主要原材料的相關參數(shù)。由于PTFE/Al 需要作為空間碎片防護結構的一部分，因此要求材料的力學強度越高越好。通過前期對制備工藝的研究可知，當成型壓力為80 MPa 時，結合具有熔融、結晶平臺的燒結工藝（見圖1），獲得的材料具有最理想的力學性能。

實驗中將防護屏制備成直徑110 mm 的圓板，為了準確控制防護屏面密度，材料參數(shù)需要滿足公式：

PTFE/Al 活性材料模壓成型后，還需要經(jīng)歷燒結工藝，由于燒結過程中基體PTFE 經(jīng)歷晶體熔化、再結晶，并伴有孔洞閉合、內(nèi)應力釋放等機制，燒結前后材料體積會根據(jù)成型壓力的大小有所變化，所以很難單獨確定 ρ0或者h0。制備活性材料板所需質(zhì)量的計算公式為：

表1 主要原料參數(shù)Table 1 Parameters of raw materials

圖1 具有熔融、結晶平臺的燒結工藝曲線Fig. 1 Sintering process curve with melting and crystal platform

式中：R 為模具半徑。

將式（1）代入式（2），可得：

為了保證面密度相同，只需要確定所需活性材料的質(zhì)量即可，采用這種方法制備的薄板面密度誤差小于1%。為了盡可能地接近工程應用背景，同時考慮活性材料制備工藝的可行性，實驗中選用面密度為0.84 g/cm2的PTFE/Al 活性材料防護屏，對應粉末質(zhì)量為81.2 g。

1.2 實驗系統(tǒng)與方案

采用二級輕氣炮進行實驗，發(fā)射管口徑為14.5 mm，最高發(fā)射速度可達7.1 km/s。超高速撞擊實驗靶板結構選用經(jīng)典的Whipple 防護結構（見圖2），撞擊角度為0°，防護間距為100 mm，球形彈丸材料為LY-12 鋁。

圖2 Whipple 防護結構實驗方案Fig. 2 Whipple shield configuration

采用磁測速系統(tǒng)測量彈丸速度，并采用激光陰影攝像機記錄彈丸的超高速撞擊過程。為了保證彈丸完整性，采用氣動分離系統(tǒng)實現(xiàn)彈丸與彈托的分離，氣動彈托及彈托攔截靶攔截前后對比如圖3 所示。

圖3 彈丸彈托及攔截靶攔截前后對比圖Fig. 3 Typical sabot and contrast of interception target before and after impact

1.3 實驗結果

共進行9 發(fā)超高速撞擊實驗，除實驗1 的防護屏為鋁合金外，其余實驗的防護屏均為PTFE/Al 活性材料，面密度均為0.84 g/cm2。球形彈丸直徑分別為5.0、6.0、6.4 mm，彈丸撞擊速度范圍為2.3～6.1 km/s。實驗結果見表2，主要包括彈丸參數(shù)、Whipple 防護結構參數(shù)以及后板損傷情況。

表2 實驗參數(shù)及損傷情況Table 2 Hypervelocity impact test configurations and damage results

2 實驗結果分析

2.1 碎片云特性

文獻[14]采用高速攝像機記錄彈丸的超高速撞擊過程，證明活性材料在撞擊瞬間發(fā)生了可靠的沖擊起爆反應。由于沖擊起爆反應過程伴有劇烈的發(fā)光現(xiàn)象，強光會導致圖像的過渡曝光，使碎片云形貌湮沒，所以高速攝像機無法有效記錄含能防護結構碎片云演變過程。激光陰影攝影系統(tǒng)可以很好地解決這一問題[15]。

圖4～5 給出了彈丸分別撞擊鋁合金防護屏（實驗1）、含能活性防護屏（實驗2）后碎片云的激光陰影照片，攝影系統(tǒng)的時間序列間隔為5 μs。由于陰影照片的視場直徑只有80 mm，所以圖片中未顯示防護結構的后板。

圖4 實驗1 碎片云激光陰影照片（LY-12 鋁防護屏）Fig. 4 Laser shadowgraphs of debris clouds in experiment 1 (LY-12 Al shield)

由圖4 可知，碎片云的初始時刻由于沒有充分膨脹，碎片密度大，激光光源無法穿透，所以照片只能顯示碎片云的外部輪廓，不能分辨出塊狀碎片。隨著碎片云飛行過程中沿軸向、徑向的不斷膨脹，碎片云密度減小，逐漸有光源可以透過，可以看到碎片云中包含有非常多的大尺寸碎片，這些碎片由鋁合金防護屏和彈丸材料共同組成，可導致后板成坑甚至穿孔失效。

不同于圖4 中碎片云的橢球形膨脹過程，圖5 中彈丸撞擊活性材料防護屏后形成的碎片云膨脹過程更接近于球形，且在整個拍攝過程中碎片云都不透光，沒有觀測到大尺寸碎片。這是因為活性材料超高速撞擊后發(fā)生爆炸反應，生成高溫、高壓、高密度的氣體產(chǎn)物與彈丸破碎產(chǎn)生的碎片共同組成碎片云，高密度的氣體產(chǎn)物導致激光光源無法穿過，同時高壓氣體產(chǎn)物在真空中會迅速膨脹，使碎片云的輪廓逐漸接近于球形。這一現(xiàn)象也間接證明PTFE/Al 活性材料在超高速撞擊下發(fā)生了爆炸反應。此時，由于活性材料防護屏超高速撞擊破碎后大部分發(fā)生爆轟或爆燃反應，少量沒有反應的PTFE/Al 碎片動能非常低，使得碎片云中具有侵徹能力的碎片主要來自于彈丸材料，從而大幅減少有害碎片數(shù)量，導致后板損傷情況減弱。

圖5 實驗2 碎片云激光陰影照片（PTFE/Al 防護屏）Fig. 5 Laser shadowgraphs of debris clouds in experiment 2 (PTFE/Al shield)

2.2 后板損傷特性

空間碎片防護結構后板損傷特性的分析對于獲取碎片云的形成信息具有重要意義[16]，通過觀察分析后板損傷特點，可以在一定程度上反推碎片云的結構與形態(tài)。實驗中回收的典型后板損傷情況如圖6～9 所示。

圖6 實驗1 的防護結構后板損傷（LY-12 鋁防護屏）Fig. 6 Rear wall damage of protective structure in experiment 1 (LY-12 Al shield)

圖7 實驗2 的防護結構后板損傷（PTFE/Al 防護屏）Fig. 7 Rear wall damage of protective structure in experiment 2 (PTFE/Al shield)

實驗1～2 的防護屏材料分別為鋁合金、活性材料，防護屏面密度等其他實驗參數(shù)保持一致，后板損傷情況如圖6～7 所示。實驗1 中后板正面中間有一個直徑25 mm 左右的嚴重毀傷區(qū)，背面明顯發(fā)生層裂，甚至出現(xiàn)長10 mm 左右的撕裂區(qū)，直徑3 mm 以上的彈坑數(shù)目多達46 個，而實驗2 后板則未出現(xiàn)大面積毀傷區(qū)域，后板損傷程度大幅降低，直徑3 mm 以上的彈坑數(shù)目只有13 個，這是因為活性材料超高速撞擊后的反應產(chǎn)物基本不具備侵徹能力，直觀反映就是后墻彈坑數(shù)目的大幅降低。

圖8 實驗8 的防護結構后板損傷（PTFE/Al 防護屏）Fig. 8 Rear wall damage of protective structure in experiment 8 (PTFE/Al shield)

圖9 實驗9 的防護結構后板損傷（PTFE/Al 防護屏）Fig. 9 Rear wall damage of protective structure in experiment 9 (PTFE/Al shield)

為了更準確地分析活性材料防護結構中后板損傷情況，得到撞擊速度對彈丸破碎情況的影響規(guī)律，對3 種尺寸的彈坑數(shù)量進行了統(tǒng)計，分別為dc＞4 mm（大彈坑），3 mm≤dc≤4 mm（中彈坑），2 mm≤dc＜3 mm（小彈坑），詳細結果見表3。

實驗8～9 中后板只有1 個4 mm以上彈坑，表明彈丸與活性材料防護屏作用后并沒有發(fā)生整體破碎，仍以比較完整的彈體撞擊后板，說明撞擊速度為2.65、2.31 km/s 時，碰撞與爆炸兩種作用下產(chǎn)生的沖擊力不足以使彈丸發(fā)生整體破碎，對應的撞擊速度處于彈道段。

實驗3～5 中彈丸速度均為約4 km/s，此時彈坑總數(shù)明顯增多，彈坑分布近似于中心圓域，說明此時在碰撞與爆炸兩種作用下彈丸已經(jīng)發(fā)生破碎，撞擊速度處于破碎段，對應的撞擊速度應該高于彈丸的臨界破碎速度。在空間碎片防護結構撞擊極限方程中，臨界破碎速度定義為彈丸剛好發(fā)生破碎時的速度，也是彈道區(qū)域破碎區(qū)的分界點[17]。

實驗2 中撞擊速度增大為5.03 km/s，此時無論是小彈坑數(shù)目還是彈坑總數(shù)都出現(xiàn)大幅增加，說明相較于實驗3～5 中4 km/s 左右的撞擊速度，此時彈丸材料發(fā)生更充分的破碎。彈坑分布也開始發(fā)生變化，不再集中在后板中心區(qū)域，而是出現(xiàn)不太規(guī)則的環(huán)狀分布，中心區(qū)域發(fā)生輕微的整體凹陷。

實驗7 中，撞擊速度進一步增大到6.08 km/s，此時，直徑大于4 mm 的大彈坑數(shù)目為零，說明彈丸破碎更加充分；但相較于實驗2，彈坑總數(shù)反而大幅降低，彈坑分布呈圓環(huán)狀，直徑約52 mm，中心圓形區(qū)域發(fā)生明顯的整體凹陷，如圖10 所示。由碎片云形成理論可知，如果發(fā)生了熔化、氣化，這時碎片云是由固、液、氣三相組成的氣泡。這時碎片云對后板的破壞主要表現(xiàn)為“氣泡”對主結構層的整體破壞，起決定作用的是后板單位面積上的沖量。沖量足夠大時，可能會使后板出現(xiàn)整體的撕裂破壞，沖量較小時，破壞模式表現(xiàn)為局部凹陷。從后板的損傷情況可以推測，6.08 km/s 撞擊條件下，彈丸中部與活性材料防護屏充分接觸的部分在碰撞與爆炸的共同作用下發(fā)生液化、氣化，而在彈丸邊緣，稀疏波作用下活性材料不足以充分爆轟，釋放能量明顯小于中心區(qū)域，導致彈丸不能完全液化、氣化，而是形成中間為液、氣兩相氣泡，周圍為固相顆粒的混合碎片云。分析表明，對于實驗中的防護結構，6.08 km/s 的撞擊速度已經(jīng)處于熔化/氣化區(qū)。

圖11 中給出了彈坑總數(shù)隨速度的變化趨勢，從圖7 可以清晰地觀察到彈坑數(shù)目的變化主要分為3 個階段，當彈丸速度位于彈道區(qū)時，彈丸保持完整，彈坑數(shù)目為1；當彈丸進入破碎區(qū)后，開始產(chǎn)生破碎，隨著速度的增大，破碎程度迅速增加，表現(xiàn)為彈坑數(shù)目迅速增多；當速度進一步增大時，由于彈丸材料開始發(fā)生熔化、氣化，對后板的損傷轉變?yōu)檎w沖量破壞，彈坑數(shù)目開始減少。

表3 后板損傷情況統(tǒng)計Table 3 Damage statistics of rear wall

圖10 實驗7 后板彈坑環(huán)狀分布圖（PTFE/Al 防護屏）Fig. 10 Circular distribution of the craters on the rear wall in experiment 7 (PTFE/Al shield)

圖11 彈坑數(shù)目與撞擊速度的關系Fig. 11 Relationship between impact velocity and crater number

2.3 撞擊極限分析

撞擊極限是航天器空間碎片高速撞擊風險評估、防護結構和防護材料優(yōu)化設計的重要依據(jù)，是指結構在撞擊后發(fā)生失效與不發(fā)生失效的臨界狀態(tài)，通常的定義形式包括彈丸的直徑及撞擊速度、板的厚度、防護間距，艙壁強度等。防護結構后板穿孔或層裂則定義為結構失效，失效區(qū)位于撞擊極限曲線上方，未失效區(qū)位于曲線下方。

目前應用最廣泛的是Christiansen 方程[17]，可用于描述鋁合金Whipple 雙層結構撞擊極限。根據(jù)彈丸不同速度下破壞機理的不同，將速度分為3 個階段：彈道區(qū)、破碎區(qū)、熔化/氣化區(qū)，并直接給出彈丸撞擊極限尺寸。一般情況下，對于鋁合金Whipple 雙層結構分段速度為別為3、7 km/s。方程具體形式如下：

當v0cos θ≤3 km/s 時：

實驗2 彈丸直徑為6.4 mm，撞擊速度為5.03 km/s，此時雖然后板沒有發(fā)生穿孔，但后表面產(chǎn)生了小尺寸層裂區(qū)域，判斷為發(fā)生輕微層裂，防護結構恰好處于臨界防護狀態(tài)，則6.4 mm 為防護結構的臨界彈丸直徑。由方程（5）可知，此速度下鋁合金防護結構對應的臨界彈丸直徑為5.04 mm，計算可知活性材料防護結構防護能力提高約27%，活性材料防護結構撞擊極限曲線剛好通過該實驗點。實驗7 保持彈丸直徑不變，將撞擊速度提高到6.08 km/s，此時防護結構后板只是輕微的鼓包，沒有發(fā)生失效，說明活性材料防護結構的防護能力在該速度段內(nèi)與速度成正比，實驗點應處于活性材料防護結構撞擊極限曲線的下方。

實驗3～5 表明，彈丸直徑為5 mm 時，在3.79～4.0 km/s 速度范圍內(nèi)，防護結構均處于有效防護狀態(tài)，為了能夠在這個速度段內(nèi)找到含能防護結構的失效點，實驗6 中將彈丸直徑增大到6 mm，速度降為3.71 km/s，此時防護結構發(fā)生失效。對比鋁合金防護結構臨界彈丸直徑可知，4.0 km/s 左右時活性材料防護結構防護能力提升約25%～50%，活性材料防護結構撞擊極限曲線應該處于實驗點3～5 和6 對應的數(shù)據(jù)點之間。

為了進一步探索活性材料防護結構在彈道區(qū)（≤3 km/s）的防護能力，實驗8 的撞擊速度降為2.65 km/s，對應的彈丸直徑為5 mm，此時防護結構未發(fā)生失效。由式（4）可知，活性材料防護結構防護能力提高了31%。實驗9 撞擊速度為2.31 km/s，彈丸直徑增大為6 mm，但此時防護結構依然沒有失效，防護能力提高大于45%。由此可知，在彈道段，撞擊速度的降低有利于防護能力的提高，這是因為活性材料超高速撞擊下完全反應時釋放的能量是一定的，當彈丸速度降低時，釋放能量與彈丸動能之比增大，防護能力提高。但這是以活性材料完全反應為前提的，由于PTFE/Al 活性材料的沖擊起爆特性與撞擊速度密切相關，當彈丸速度過低以致其穿靶過程中活性材料沒有來得及反應時，活性材料防護屏也就失去了其防護能力的立足之本，加上其無論是波阻抗還是屈服強度都遠低于鋁合金，所以在彈道段總有一個速度點使PTFE/Al 活性材料與鋁合金防護能力相當，當?shù)陀谶@個速度時鋁合金防護能力更強，高于這個速度時PTFE/Al 活性材料更強。利用最小二乘法，結合實驗8～9 對彈道段撞擊極限曲線進行擬合，過防護狀態(tài)臨界點（實驗4）并結合實驗5～9 對破碎段撞擊極限進行擬合，獲得活性材料面密度為0.84 g/cm2時對應的彈道段與破碎段的撞擊極限曲線，如圖12 所示，兩者的交點為彈道段與破碎段的分界點，黑色對比曲線為同面密度鋁合金防護結構對應的撞擊極限曲線。通過對比可知，活性材料防護結構防護能力獲得大幅提升。

圖12 活性材料及鋁合金Whipple 結構撞擊極限曲線對比Fig. 12 Comparison of ballistic limit curves between active material and aluminum alloy Whipple shileds

2.4 防護機理分析

彈丸與防護屏超高速撞擊作用下的破碎、熔化甚至氣化現(xiàn)象，是Whipple 結構防護機理的核心，彈靶沖擊壓力則是彈丸與防護屏破碎、相變的能量源，活性材料的應用直接改變了這種能量源。首先，彈丸撞擊活性材料產(chǎn)生的沖擊壓力不僅包括沖擊壓縮引起的壓力，還包括因化學能釋放而貢獻的壓力，兩種壓力的共同作用增加了彈丸的破碎與相變程度。同時，活性材料的沖擊起爆過程伴隨有高溫、高壓產(chǎn)物的劇烈膨脹，會對彈丸產(chǎn)生反向沖量而降低彈丸的軸向動能。其次，后板彈坑分析表明，相較于鋁合金結構，活性材料結構后墻彈坑數(shù)量大幅減少，這是因為活性材料沖擊起爆過程伴隨有化學能的迅速釋放，導致自身產(chǎn)物多為氣態(tài)，對后板沒有侵徹能力，后板的侵徹破壞只來自于碎片云中彈丸破碎產(chǎn)生的碎片。

3 結 論

利用二級輕氣炮完成PTFE/Al 活性材料的超高速撞擊實驗，速度范圍為2.3～6.1 km/s，覆蓋彈道區(qū)、破碎區(qū)。碎片云特性及后板損傷特性分析表明，由于活性材料超高速撞擊發(fā)生沖擊起爆反應，爆炸產(chǎn)物尺寸非常細小且多為氣態(tài)，此時碎片云中具有侵徹能力的碎片僅由彈丸破碎產(chǎn)生，大大減弱了對后板的破壞。撞擊極限分析顯示，相較于同面密度鋁合金，活性材料具有更加優(yōu)異的防護性能，提升比例與撞擊速度密切相關。活性材料良好的防護特性使其可能成為未來航天器防護材料的新選擇。