球形氣囊的超高速撞擊損傷特性試驗與仿真研究

劉 海，胡振鑫，孫瓊閣，蘭勝威，李 毅，馬兆俠，宋 強

（1. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 超高速碰撞研究中心，綿陽 621000；2. 北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094；3. 中國航天科工集團有限公司 空間工程總體部，北京 100854）

0 引言

空間充氣展開結構是由柔性薄膜材料制成的新型空間結構，具有多功能、輕質(zhì)、低成本的特點，已應用于氣球衛(wèi)星、充氣天線通信系統(tǒng)、柔性防護系統(tǒng)等。1990 年，我國首次發(fā)射了專用于探測高層大氣密度的氣球衛(wèi)星。為在軌檢測微小空間碎片，中國科學院等單位于2017 年提出一種結構簡單、探測面積大、成本低的充氣展開式啞鈴形氣球衛(wèi)星設計方案，通過在氣球表面布置壓電薄膜對微小空間碎片撞擊事件進行識別。2019 年，“北理工1 號”衛(wèi)星（BP-1B）發(fā)射升空并成功進入預定軌道，其中由柔性材料制成的帆球以折疊方式存放于衛(wèi)星艙內(nèi)，待衛(wèi)星正常入軌后釋放展開膨脹成球狀；展開的帆球可作為衛(wèi)星太陽電池板或衛(wèi)星通信的大型天線。可以預見，低成本、可自主展開的氣球衛(wèi)星將是未來衛(wèi)星技術的應用方向之一。

考慮壽命末期主動離軌來減緩空間碎片增長而運行于低地球軌道的氣球衛(wèi)星，面臨著空間碎片撞擊的風險。當前直接針對氣球衛(wèi)星的空間碎片撞擊特性評估的工作鮮有報道，相關研究主要關注空間充氣展開結構所采用的柔性薄膜材料的壽命。為考查空間碎片撞擊對聚酰亞胺和鍍鋁涂層復合熱塑薄膜壽命的影響，Auburn 大學試驗研究了直徑40～100 μm 浮法玻璃球以5～12 km/s 超高速撞擊該熱塑薄膜的破壞尺寸，并對比了高溫（420 K）、低溫（40 K）環(huán)境下薄膜破壞特征的差異性。國防科技大學的陳華對聚酰亞胺材料的力學、化學特性及其超高速撞擊效應開展較為深入的研究，通過二級輕氣炮試驗得到了聚酰亞胺的Hugoniot 參數(shù)，建立了壓力、溫度相關的熱分解動力學模型，并分析了化學反應對超高速撞擊效應的影響。

為滿足氣球衛(wèi)星的生存力分析以及在軌被撞擊產(chǎn)生空間碎片的評估需求，本文在對空間碎片和氣球衛(wèi)星進行結構簡化的基礎上，開展球形氣囊超高速撞擊試驗與仿真研究，獲得不同材質(zhì)氣囊的撞擊損傷特性，并初步揭示彈丸貫穿球形氣囊過程中的破壞細節(jié)以及碎片云團特性，旨在為空間碎片撞擊氣球衛(wèi)星的碎片化特征分析提供支撐。

1 試驗狀態(tài)與測試系統(tǒng)

1.1 試驗狀態(tài)

采用中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速碰撞研究中心30 mm 口徑二級輕氣炮開展地面撞擊試驗。如圖1 所示，二級輕氣炮的發(fā)射器系統(tǒng)利用火藥燃燒驅(qū)動活塞壓縮充在壓縮管內(nèi)的氫氣，利用高壓氫氣推動彈丸超高速發(fā)射，并撞擊預先布置于靶室內(nèi)的球形氣囊。

圖1 二級輕氣炮撞擊試驗系統(tǒng)Fig. 1 The impact test system with two-stage light gas gun

考慮氣球衛(wèi)星運行的軌道空間碎片環(huán)境，選取cm 級柱體和殼體2 種構型彈丸表征典型空間碎片。柱體彈丸直徑30.8 mm、高35 mm，由尼龍彈托和鋁棒組成：彈托直徑30.8 mm、高25 mm，開有深15 mm 的凹槽；鋁棒直徑16 mm、長25 mm，插入整體彈托凹槽中，并通過螺紋和環(huán)氧膠與彈托連接。殼體彈丸直徑30.8 mm、高33 mm，內(nèi)部為2 mm 厚的鋁合金殼體，外部包裹尼龍材質(zhì)外套（高30 mm，單邊最大厚度2.4 mm），二者通過環(huán)氧膠連接。2 種構型彈丸的質(zhì)量均為30 g 左右。

碰撞試驗的靶材為9 個由薄壁復合材料球瓣拼接構成的球形氣囊，其中1#～8#氣囊直徑1.0 m，9#氣囊直徑0.3 m，氣囊壁厚為μm 級。彈丸撞擊氣囊的速度約4.5 km/s，撞擊角度0°。氣囊上設有自封閉閥門，試驗前向氣囊內(nèi)充入指定壓力的氣體，懸掛于靶室內(nèi)，并調(diào)節(jié)至適當高度。試驗中靶室抽至近真空以模擬氣球衛(wèi)星的工作環(huán)境。具體的碰撞試驗工況參見表1，其中工況編號與氣囊編號對應。

表1 碰撞試驗工況Table 1 The impact test conditions

1.2 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)包括測速與控制系統(tǒng)以及序列激光陰影成像儀。測速系統(tǒng)用來測量彈丸撞擊靶材前的飛行速度，其原理是利用彈丸飛越測試區(qū)域時對激光束的遮擋效應來記錄彈丸到達各測試站的時間，并根據(jù)各測試站之間的距離計算出彈丸的飛行速度。序列激光陰影成像儀由高精度時序控制器、脈沖激光器、多光源空間分離裝置和光學成像端等組成，用于高速瞬態(tài)過程的測量。其原理是通過實時速度測量確定恰當?shù)难訒r，當彈丸進入到陰影成像儀測試視場內(nèi)時觸發(fā)激光光源出光，獲得某特定時刻的序列激光陰影照片。

2 試驗結果分析

圖2 展示的是9 個工況下氣囊前/后壁面的穿孔破壞形貌，其中，為直觀展示撞擊后的損傷情況，在部分氣囊（1#、4#、5#、6#、8#、9#）內(nèi)置完整氣囊并充氣膨脹。可以看到：對于前孔，1#～4#以及7#～9#氣囊的孔洞形狀為圓形和近似矩形；5#和6#氣囊的穿孔尺寸相對較大，且周圍伴有明顯撕裂口形貌。相對于前孔，后孔尺寸較大，邊緣不規(guī)則，穿孔周圍分布有很多微小孔洞以及明顯的撕裂帶；部分孔洞周圍明顯可見由高溫引發(fā)的卷曲和灼燒現(xiàn)象。

圖2 不同工況下氣囊前/后壁面的穿孔破壞形貌Fig. 2 Perforation failure morphologies of the front and rear walls of the balloons under different impact conditions

對氣囊前/后穿孔尺寸和破壞特征進行測量分析形成表2。1#、2#和4#氣囊的撞擊前孔為圓形，且尺寸近似等于彈丸直徑。后孔的形貌均非圓形，其中，3#破洞尺寸較小，為橢圓形，尺寸約為3 cm×4 cm；4#～7#和9#破洞尺寸相對較大，且部分孔洞周邊伴有高溫卷曲和灼燒現(xiàn)象。

表2 氣囊前/后孔尺寸和破壞特征Table 2 The sizes and the failure characteristics of the front and rear holes of the balloons under different impact conditions

結合圖2 和表2 發(fā)現(xiàn)，前/后孔尺寸綜合較大的為5#和6#氣囊。其主要原因是5#和6#氣囊的材質(zhì)有別于其他氣囊，強度較弱；而試驗過程中靶室內(nèi)部非完全真空，彈丸飛行過程中頭部產(chǎn)生弓形脫體激波，使氣囊前表面在激波作用下產(chǎn)生明顯破壞，后壁面的破壞亦相對明顯。

試驗過程中采用序列激光陰影成像儀拍攝了彈丸穿出氣囊后表面形成的碎片云，部分結果如圖3 所示。可以看到，撞擊產(chǎn)生的碎片云團無固定形貌、碎片顆粒尺寸較小，且彈丸被云團包裹無法辨識其整體形貌。對比觀察工況2（柱體彈丸）和工況3（殼體彈丸）發(fā)現(xiàn)，前者的碎片云尾部輪廓清晰，形貌完整；后者的碎片云頭部鈍粗變形，尾部形貌基本完整。

圖3 彈丸穿出氣囊后表面形成的碎片云圖像Fig. 3 Images of debris cloud formed by projectiles passing through the rear surface of the balloons under different impact conditions

利用序列圖像進一步開展碎片云頭部膨脹速度分析，結果見表3。

表3 彈丸穿過氣囊后表面所形成碎片云的頭部膨脹速度Table 3 Head expansion rate of debris cloud formed by projectiles passing through the rear surface of the balloons under different impact conditions

具體分析方法為：試驗前在彈道方向上固定標定物用于標定分幅成像的每個圖像的相對位置，而成像靶面的位置是固定的，因此可將試驗獲得的圖像與帶有螺絲的圖像進行重合，從而獲得每個序列圖像中碎片云或模型的相對位置；再根據(jù)固定的間隔時間下被測物在照片上的位置變化，獲得投影方向上被測物飛行的速度。取前3 次序列激光陰影系統(tǒng)拍攝的圖像開展分析，通過碎片云頭部的移動距離以及每2 張圖像的拍攝時間間隔計算得到碎片云頭部的膨脹速度。需要說明的是，由于氣囊材料有別于金屬，各氣囊在超高速撞擊下所產(chǎn)生的碎片云形貌差異較大，且碎片云頭部的運動缺乏規(guī)律性，導致各工況下2 次計算得到的碎片云膨脹速度均存在一定差異；但根據(jù)碎片云頭部膨脹平均速度推測，云團頭部初期膨脹速度大于彈丸出射速度（彈丸出射速度通過數(shù)值模擬得到）。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型與材料參數(shù)

為揭示撞擊過程中彈靶破壞細節(jié)以及碎片尺寸和數(shù)量特性，采用顯式動力學有限元程序AUTODYN，針對典型試驗狀態(tài)開展仿真分析。考慮工況2（=4.520 km/s）和工況3（=4.585 km/s）試驗中，穿出氣囊后彈丸尾部圖像部分可見，且囊括了彈丸的2 種構型，遂選取這2 個試驗狀態(tài)開展數(shù)值模擬。柱體彈丸按照工況2 開展撞擊整體氣囊和對稱氣囊模擬各1 次。對稱氣囊數(shù)值模型由2 個半球構成，彈丸沿接縫面撞擊氣囊，用于分析接縫處的材料破壞特征。殼體彈丸按照工況3 開展撞擊整體氣囊模擬1 次。試驗過程中氣囊內(nèi)壓力較低，所引起的強度變化比材料本身的強度小得多，因此數(shù)值模擬中不考慮氣體壓力對氣囊前/后穿孔尺寸的影響。

彈丸和氣囊模型如圖4 所示，結構尺寸、材料與試驗狀態(tài)一致。柱體彈丸模型共含有165 840 個SPH 粒子，其中，鋁棒包含40 600 個SPH 粒子，尼龍彈丸包含125 240 個SPH 粒子。殼體彈丸模型共含有126 748 個SPH 粒子，其中，鋁合金殼體包含47 876 個SPH 粒子，尼龍彈托包含78 872 個SPH粒子。彈丸模型采用Al2024T351 和Nylon 材料參數(shù)。氣囊模型采用殼單元建模，厚度與氣囊材料一致，共計143 208 個單元，氣囊材料參數(shù)如表4 所示。本文采用地面環(huán)境條件下的材料模型近似代表真實使用環(huán)境中的材料參數(shù)。

圖4 彈丸模型和柱體彈丸撞擊氣囊初始狀態(tài)Fig. 4 Projectile model and the initial state of the impact of a cylindrical projectile on the balloon

表4 氣囊材料參數(shù)Table 4 Material parameters of the balloon

3.2 彈靶撞擊破壞特征

柱體彈丸超高速撞擊整體氣囊的過程主要分為3 個階段（參見圖5）：

圖5 柱體彈丸超高速撞擊整體氣囊的序列圖像以及前/后壁面破壞形貌Fig. 5 The sequence images of the cylindrical projectile impacting the whole balloon with hypervelocity and the failure morphology of the front and rear walls

1）彈丸撞擊氣囊前表面產(chǎn)生沖塞與破碎。柱體彈丸鋁頭撞擊氣囊前表面沖塞形成近圓形薄片，并且在鋁棒與尼龍彈托連接的臺階處形成環(huán)形沖塞薄片。此時，鋁棒發(fā)生微小變形并出現(xiàn)部分碎裂，尼龍彈托臺階處出現(xiàn)墩粗現(xiàn)象并形成碎片。

2）彈丸于氣囊內(nèi)飛行過程中碎裂加劇。沖塞形成的薄片飛行速度較快，逐漸與彈丸分離并首先到達氣囊后表面且與之相互作用形成圓形孔洞。彈丸在氣囊內(nèi)飛行過程中，尼龍彈托逐漸發(fā)生碎裂和剝落，形成大量的碎片，并隨后到達氣囊后表面。

3）碎裂化彈丸撞擊氣囊后表面形成大量碎片。彈丸前端鋁棒從后孔中首先穿出，鋁棒破壞程度相對較小，而尼龍彈托撞擊后表面后碎裂化程度加劇。碎裂化彈丸撞擊氣囊后表面形成大量碎片，并且彈丸被包裹在碎片云之中，與序列激光陰影成像儀拍攝結果基本一致。

柱體彈丸超高速撞擊對稱氣囊過程中，彈丸破壞特征與撞擊整體氣囊時相似。模擬結果顯示柱體彈丸撞擊整體和對稱氣囊后的出射速度均為4.44 km/s。

圖6 展示了殼體彈丸撞擊氣囊的模擬序列圖像。可以看到，殼體彈丸撞擊氣囊過程與柱體彈丸整體相似，但略有不同。

圖6 殼體彈丸超高速撞擊整體氣囊序列圖像以及前/后壁面破壞形貌Fig. 6 The sequence images of the shell projectile impacting the whole balloon with hypervelocity and the failure morphology of the front and the rear walls

主要體現(xiàn)在：

1）彈丸撞擊氣囊前壁面形成的氣囊薄片凹陷至鋁合金腔體內(nèi)，導致彈丸底部略有鈍粗；

2）尼龍彈托臺階處破壞程度相對較小，撞擊后壁面形成相對較小的貫穿孔尺寸。模擬結果顯示殼體彈丸撞擊氣囊后的出射速度為4.51 km/s。

圖7 展示了氣囊前/后壁面破壞形貌的模擬結果。可以看到：

1）柱體彈丸撞擊整體氣囊的前孔呈圓形，直徑約3.2 cm；后孔呈近似菱形，尺寸5.2 cm×7.4 cm。后壁面破壞特征除撞擊穿孔，還有碎片粒子撞擊形成的小孔洞和鼓包變形，以及卷曲外翻等，見圖7(a)。

2）殼體彈丸撞擊整體氣囊的前孔呈圓形，直徑約3.2 cm；氣囊后壁面主貫穿孔呈近似圓形，直徑約5.4 cm，孔洞周圍出現(xiàn)卷曲、外翻等現(xiàn)象，并密布有輻射狀小尺寸孔洞，見圖7(b)。對比可見，氣囊前/后孔尺寸以及破壞特征的數(shù)值模擬結果與試驗結果基本一致。氣囊后壁面的微孔洞是由彈丸撞擊氣囊前壁面時產(chǎn)生的微小碎片撞擊所致。

3）相比于整體氣囊，柱體彈丸撞擊對稱氣囊前壁面的撞擊孔呈圓形，直徑約3.4 cm，孔上下有微小撕裂口；后孔直徑9.1 cm，稍大于整體氣囊的后孔直徑，孔上下形成較大撕裂口，單邊長度34.2 cm，見圖7(c)。

圖7 彈丸超高速撞擊氣囊的前/后壁面破壞形貌Fig. 7 The failure morphology of the front and rear walls by hypervelocity impacting of the projectile

3.3 彈丸穿出氣囊后碎片質(zhì)量和特征長度分布特征

對數(shù)值模擬結果進一步分析，獲得穿出氣囊后彈丸產(chǎn)生碎片的質(zhì)量和特征長度分布（由于氣囊采用殼體單元建模，其產(chǎn)生的碎片無法統(tǒng)計），如圖8所示。其中，軸為碎片編號，、軸分別為碎片質(zhì)量和特征長度。對比得出，柱體彈丸穿出整體氣囊和對稱氣囊模型后產(chǎn)生碎片的數(shù)量、質(zhì)量和特征長度相似，質(zhì)量大于10 mg 的碎片共計約50 個，最大碎片的質(zhì)量約為1400 mg、特征長度為40 mm。殼體彈丸撞擊整體氣囊模型產(chǎn)生碎片的數(shù)量與柱體彈丸的相近，但碎片質(zhì)量整體上明顯小于柱體彈丸的。

圖8 穿出氣囊后彈丸產(chǎn)生碎片的質(zhì)量和特征長度分布Fig. 8 Fragment mass and characteristic length distributions of the projectile after penetrating the balloon

4 結論

通過地面試驗獲得柱體和殼體彈丸超高速撞擊球形氣囊的損傷破壞特性，并選取典型撞擊狀態(tài)進行數(shù)值仿真，揭示了彈丸貫穿球形氣囊過程中材料和結構破壞細節(jié)，同時結合地面試驗和數(shù)值仿真獲得彈丸穿出氣囊后的碎片云特征，得到結論如下：

1）彈丸超高速撞擊球形氣囊前/后壁面形成不同穿孔破壞特性。整體上，前孔尺寸小于后孔，部分氣囊前孔尺寸近似等于彈丸直徑；氣囊后壁的破壞特征主要有穿孔、撕裂，以及高溫引發(fā)的卷曲、灼燒。另外，相比于整體氣囊，對稱氣囊連接處會產(chǎn)生撕裂口，導致其后壁面的破壞程度大于前者，因此需對氣囊接縫處進行加強以防止形成撕裂破壞。

2）彈丸超高速撞擊氣囊的過程主要分為3 個階段：撞擊前壁面時發(fā)生變形和破壞；在氣囊內(nèi)飛行過程中彈丸碎裂化程度加劇；撞擊后壁面形成相對較大穿孔和大量碎片云。彈丸貫穿氣囊后，速度略有衰減。

3）彈丸穿出氣囊后產(chǎn)生碎片云團，云團粒子由氣囊和彈丸破碎產(chǎn)生，并且云團頭部初期膨脹速度大于彈丸出射速度。穿出氣囊后，柱體和殼體彈丸產(chǎn)生的碎片數(shù)量相近，但前者所產(chǎn)生碎片的質(zhì)量明顯更大。