后墻拆分結構防護性能的實驗和計算對比研究*

文雪忠，黃 潔，趙君堯，柯發偉，馬兆俠，柳 森

（中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所，四川 綿陽 621000）

隨著人類航天事業的迅猛發展，大量的航天器被部署到太空，航天器廢棄、相互碰撞解體等事件也產生了越來越多的空間碎片。這些空間碎片的速度極高（平均速度超過10 km/s），當撞擊到航天器時將造成航天器的結構損傷、功能失效、甚至解體損毀等。因此，防護結構是航天器抵御空間碎片撞擊，特別是抵御尺寸較小、無法被跟蹤監測的空間碎片撞擊的最重要屏障，在不增大結構尺寸和質量的前提下，提升結構對空間碎片的防護性能始終是一項具有重要應用價值的工作[1]。

從Whipple 結構開始，以提升結構防護性能為目標，已發展了多種類型的防護結構[2]，如：改變緩沖屏結構、增強結構對空間碎片破碎效果的改進型Whipple 結構[3-6]；在緩沖屏與后墻之間填充輕質吸能結構、減弱碎片云對結構后墻損傷的填充式結構[7-11]；增加結構中的防護層數，提高對碎片云破碎和阻擋作用的三層鋁板結構[12]；改變防護層常規平行布局方式、利用傾斜布置中間層來進一步分散碎片云撞擊能量的N 形結構[13]等。

以探索改變后墻結構來提升防護性能為目的，Wen 等[14]初步驗證了在后墻表面緊貼一層輕質材料來提供結構防護性能的可行性，Wen 等[15]初步研究了對后墻進行拆分來提高結構防護性能的可行性。為了進一步檢驗后墻拆分方式對提升結構防護性能的有效性，本文中設計典型的后墻拆分防護結構，通過開展數值模擬研究，探討Whipple 結構與后墻拆分結構防護性能的差異，分析鋁球以不同速度撞擊防護結構后墻的損傷情況，初步對比研究后墻拆分結構在不同撞擊速度下的防護性能。針對典型撞擊狀態開展實驗，對比后墻拆分形式不同的兩種結構的防護性能，并與相同面密度的Whipple 結構的防護性能進行對比，同時通過實驗對比驗證數值模擬的有效性，進一步驗證后墻拆分結構的防護性能。

1 防護結構形式

選擇典型的Whipple 結構作為基準，其緩沖屏、后墻、觀察屏厚度分別為2、3 和1 mm，相鄰兩塊鋁板間距分別為100 和50 mm，如圖1(a)所示。在此基礎上將后墻拆分為兩塊鋁板疊加的結構，共獲得兩種后墻拆分(separated rear wall)防護結構，分別編號為SRW1 和SRW2，如圖1(b)和1(c)所示。其中SRW1 后墻第1 層板厚1 mm，第2 層板厚2 mm；SRW2 后墻第1 層板厚2 mm，第2 層厚1 mm。3 種防護結構的具體尺寸如表1 所示，防護結構的材料均選用2A12 鋁。

圖1 3 種防護結構示意圖Fig. 1 Sketches for three kinds of shield structures

表1 3 種防護結構尺寸參數Table 1 The sizes of three kinds of shields

2 后墻防護性能數值模擬

研究防護結構在較高動能彈丸撞擊下的性能優劣時，為了更貼近空間碎片實際撞擊情況，采用直徑6.0 mm 的2A12 鋁球作為彈丸，分別以5.0、6.0、7.0 和8.3 km/s 的典型速度撞擊這3 種防護結構。采用Autodyn 軟件開展了鋁球撞擊兩種防護結構（Whipple 結構和SRW1 結構）的數值模擬，模型為1/2 對稱二維模型，其中對彈丸和緩沖屏采用光滑粒子流體動力學(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法建模（粒子尺寸為0.05 mm），對后墻采用Lagrange 建模（網格尺寸為0.1 mm）。彈丸、緩沖屏和后墻材料的狀態方程均采用Autodyn 數據庫中2A12 鋁對應的Tillotson 狀態方程，強度模型采用Johnson-Cook 強度模型，失效模式采用Grady 層裂模型以表征材料的層裂現象。

Tillotsen 狀態方程是將p-v 平面分成4 個區域，每個區域對應的方程形式如下。

Whipple 結構和SRW1 結構在直徑6.0 mm 的彈丸以4 種速度撞擊下后墻損傷情況的模擬結果見圖2～3，圖2 中淺藍色線條表示Whipple 結構中厚度為3 mm 的后墻鋁板，圖3 中淺藍色線條表示SRW1結構中厚度為1 mm 的后墻前板，紅色線條表示SRW1 結構中厚度為2 mm 的后墻后板。圖2～3 所示模擬時刻均為撞擊后40 μs。

圖2 Whipple 結構后墻在直徑6.0 mm 的彈丸以不同速度撞擊后40 μs 的損傷Fig. 2 Damage in the rear wall of the Whipple shield at 40 μs after it was impacted by a 6.0-mm-diameter aluminum projectile at different impact velocities

從圖2～3 可以看出，在相同撞擊速度下，SRW1 結構后墻的損傷明顯輕于Whipple 結構后墻的損傷。例如：在5.0 km/s 時，Whipple 結構后墻撞擊中心區域出現明顯層裂或剝落（直徑約16 mm）以及較大尺寸的穿孔（直徑約3 mm），而SRW1 結構后墻僅在撞擊中心區域出現小尺寸剝落（直徑約9 mm）和臨界穿孔；在6.0 km/s 時，Whipple 結構后墻出現較大尺寸層裂或剝落（直徑約30 mm），而SRW1 結構后墻未出現穿孔和剝落損傷，僅在撞擊中心區域出現變形和鼓包；在7.0 km/s 時，Whipple 結構后墻同樣出現了較大尺寸的層裂和剝落（直徑約38 mm），而SRW1 結構后墻未出現穿孔和剝落損傷，同樣僅在撞擊中心區域出現變形和鼓包；在8.3 km/s 時，Whipple 結構的后墻背面在撞擊中心區域出現剝落損傷，損傷區域直徑范圍為15～19 mm（數值模型為1/2 對稱模型，則全尺寸數值模型對應的損傷區域直徑為30～38 mm），而SRW1 結構后墻撞擊中心區域出現較明顯變形鼓包，但未出現穿孔或剝落損傷。

從模擬結果可看出，在5.0～8.3 km/s 撞擊速度范圍內，SRW1 結構后墻的損傷均輕于Whipple 結構后墻的損傷，且隨著撞擊速度的增高，這種差別具有增大的趨勢。上述模擬結果表明，后墻拆分能夠降低防護結構后墻的損傷，具有在不改變結構尺寸和質量的基礎上進一步提升結構防護性能的優勢，而且這種優勢具有隨著撞擊速度的增高而增大的趨勢。

圖3 SRW1 結構后墻在直徑6.0 mm 的彈丸以不同速度撞擊后40 μs 的損傷Fig. 3 Damage in the rear wall of the SRW1 shield at 40 μs after it was impacted by a 6.0-mm-diameter aluminum projectile at different impact velocities

3 后墻防護性能實驗驗證

為了驗證數值模擬方法與結果的正確性，同時進一步研究后墻拆分方式對結構防護性能的影響，針對3 種面密度相同的防護結構開展了超高速撞擊實驗，實驗在超高速彈道靶[16]上開展，見圖4。

參照圖1 所示的防護結構，組裝得到3 種防護結構，如圖5 所示。

選擇典型數值模擬狀態作為實驗工況開展對比研究，實驗彈丸為直徑6.0 mm 的2A12 鋁球，鋁球以約8.3 km/s 的速度分別撞擊這3 種防護結構，實驗后3 種結構的后墻損傷情況如圖6～8[14]所示。

從圖6～8 可以看出，在相近的撞擊參數下，3 種結構后墻正面均出現大面積的撞擊痕跡，背面均出現明顯鼓包變形，但未被擊穿。其中Whipple 后墻背面出現較大尺寸的剝落損傷，剝落區域直徑約為35 mm；SRW1 結構后墻中的兩層板均未出現剝落損傷；SRW2 結構后墻中的第1 層板剝落損傷，但第2 層板出現較小尺寸的剝落損傷，剝落區域尺寸明顯小于Whipple 結構的，僅約為9 mm。此外，在Whipple 結構觀察屏正面還可看到后墻剝落碎片撞擊形成的凹坑，在背面可看到剝落碎片撞擊形成的鼓包，而SRW2 結構觀察屏上未發現明顯的撞擊損傷痕跡。具體損傷結果見表2。

圖4 超高速彈道靶Fig. 4 Hypervelocity ballistic range

通過對比3 種結構后墻的損傷情況，可以看出其中損傷最嚴重的是Whipple 結構，其次是SRW2 結構，最后是SRW1 結構。因此可以進一步判斷，在上述實驗狀態下，SRW1 結構防護性能最佳，SRW2 結構防護性能次之，Whipple 結構防護性能最差。

同時對模擬結果進行驗證研究，模擬和實驗得到在8.3 km/s 速度撞擊下，Whipple 結構后墻的損傷區域直徑分別為30～38 mm 和35 mm，而SRW1 結構后墻均表現為鼓包，無明顯剝落現象，如圖9 所示。基于此可得出結論，實驗驗證結果與初步模擬結果具有較高的一致性，這進一步證明了后墻拆分結構防護性能更佳，同時驗證了數值模擬方法的準確性，可通過該數值方法進一步對后墻拆分防護結構的性能進行模擬研究。

圖5 3 種防護結構實物照片Fig. 5 Photos for three kinds of shield structures

圖6 Whipple 結構在直徑6.0 mm 的鋁球以8.31 km/s 的速度撞擊下的損傷情況[14]Fig. 6 The damage of the Whipple shield impacted by the 6.0-mm-diameter aluminum projectile with the initial impact velocity of 8.31 km/s[14]

圖7 SRW1 結構在直徑6.0 mm 的鋁球以8.25 km/s 的速度撞擊下的損傷情況[14]Fig. 7 The damage of the SRW1 shield impacted by the 6.0-mm-diameter aluminum projectile with the initial impact velocity of 8.25 km/s[14]

圖8 SRW2 結構在直徑6.0 mm 的鋁球以8.41 km/s 的速度撞擊下的損傷情況[14]Fig. 8 The damage of the SRW2 shield impacted by the 6.0-mm-diameter aluminum projectile with the initial impact velocity of 8.41 km/s[14]

表2 實驗中3 種防護結構損傷情況Table 2 The damage of three kinds of shields in tests

圖9 兩種結構后墻損傷情況的實驗與模擬結果對比Fig. 9 Comparison of the damage of the rear Walls in two kinds of shield between experiment and simulation

通過拆分后墻能夠提升結構防護性能的主要原因，可能在于后墻拆分后，組成后墻的兩層鋁板之間存在分離界面，界面將導致碎片撞擊后墻產生的沖擊波在界面位置出現反射效應（這點可從圖5(b)和圖5(c)中組成后墻的兩層鋁板在實驗后出現明顯分離界面看出），反射效應的出現將在一定程度上造成沖擊波能量的衰減，從而降低了后墻的損傷。

此外，值得一提的是，針對后墻由兩層鋁板組成的拆分結構，在碎片撞擊后墻過程中，由于第2 層鋁板對第1 層鋁板的保護作用，第1 層鋁板的損傷程度較低。因此，在以防護結構后墻穿孔為失效判據的一些特殊場合，這種后墻拆分結構將具有更高的應用價值。

4 結 束 語

利用超高速撞擊實驗和數值模擬，對比研究了后墻拆分結構的防護性能。研究結果表明，通過拆分防護結構后墻、在后墻中形成分離界面的方式，能夠在不改變結構尺寸、質量的基礎上實現對結構防護性能的有效提升，且隨著撞擊速度的增高，這種提升效果有增大的趨勢。

后墻拆分結構相較傳統Whipple 防護結構具有更優的防護性能，初步分析原因在于：拆分結構相較完整鋁板，其內部增添了新的自由界面，而碎片云撞擊后墻產生的沖擊波在后墻內傳播，完整鋁板內沖擊波經背面反射產生的拉伸稀疏波和沖擊波的共同作用將導致背部出現層裂甚至剝落，而拆分結構內部新的自由面將對沖擊波進行反射，進而消耗沖擊波的能量，最終導致傳遞到第2 層板的沖擊波強度減小，使得拆分結構背部破壞程度降低。當彈丸以較低速度撞擊防護結構時，緩沖屏對彈丸破碎程度較低，碎片云頭部仍有較大塊碎片，對后墻的損傷模式主要表現為侵徹損傷。隨著撞擊速度的增高，彈丸撞擊緩沖屏后的破碎程度增大，碎片云中都是尺寸較細小的碎片，碎片撞擊后墻引起的主要損傷模式將由侵徹損傷變為沖擊損傷，沖擊波的傳播將是后墻破壞的最主要原因，而分離界面的存在能夠衰減沖擊能量在后墻中的傳播，這也導致了在更高的撞擊速度下，后墻拆分結構防護性能更佳。

為了更加全面地評估這種后墻拆分結構的防護性能，后續還將進行更多狀態的實驗和計算，以獲得這種拆分結構的彈道極限曲線。