波阻抗梯度材料加強型Whipple 結構撞擊極限研究*

張品亮，曹 燕，陳 川，宋光明，武 強，李 宇，龔自正，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）

微流星體和空間碎片與航天器發生碰撞的平均速度高達7 km/s，對在軌航天器造成了嚴重威脅。為了應對這一威脅，通常通過加裝Whipple 結構的方式對航天器進行防護。其基本原理是：在航天器艙壁外部一定間隔處放置防護屏，使初始入射物體先與防護屏發生碰撞，使之碎裂、熔化甚至氣化形成碎片云，最大限度地減小和分散入射物體的動能，降低其對航天器艙壁的損傷。目前，基于典型Whipple 結構，已經開發了多種類型的防護結構。國際空間站上的防護結構由15 萬塊20 cm×20 cm 的單元組成，使用了約400 種類型的防護結構。

由波阻抗梯度材料防護屏替代均質鋁合金防護屏而形成的增強型Whipple 結構具有優異的防護性能。Zhang 等 [9-10]通過大量超高速撞擊實驗研究了Al/Mg 防護結構的超高速撞擊特性，驗證了其防護性能，結果表明：Al/Mg 防護屏與典型鋁合金防護屏具有相同的表面材料，彈丸中產生的沖擊壓力和溫升相等。由于波阻抗梯度結構改變了沖擊波的傳播路徑和內能轉化效率，提升了彈丸的破碎程度，使碎片云的擴散區域更大，分散了撞擊動能，從而提高了結構的防護性能。

高阻抗迎撞擊面可以產生更高的沖擊波壓力和溫升，有利于進一步提升防護性能。宋光明等基于Al/Mg 結構進行改進，在保持面密度相同的條件下，提出了一種新型波阻抗梯度材料Whipple 防護結構—Ti/Al/Mg 結構，該結構由高阻抗的TC4 鈦合金表層、2A12 鋁合金夾層和AZ31B 鎂合金底層組成。Long 等開展了Ti/Al/Mg 材料的制備和超高速撞擊特性的初步研究，張品亮等研究了Ti/Al/Mg 結構的碎片云特性，但是，還沒有系統地開展Ti/Al/Mg 結構的超高速撞擊實驗，并建立其撞擊極限曲線。因此，本文中將通過開展一系列超高速撞擊實驗，研究Ti/Al/Mg 的超高速撞擊特性，建立撞擊極限曲線，并試圖發現一些規律性的認識。

1 實驗方法

實驗使用的Ti/Al/Mg 波阻梯度防護屏由0.3 mm 厚的TC4 鈦合金、0.2 mm 厚的2A12 鋁合金和1.3 mm厚的AZ31B 鎂合金組成，采用擴散焊接法制備。超高速撞擊實驗在二級輕氣炮上開展，速度范圍為3～8 km/s，實驗原理如圖1 所示。針對Ti/Al/Mg結構，進行了14 次超高速撞擊實驗。為了驗證該結構的防護性能，還開展了11 次2A12 結構超高速撞擊實驗和2 次Al/Mg 結構超高速撞擊實驗。2A12 防護屏厚度為1.5 mm，Al/Mg 防護屏厚度為0.8 mm/1.1 mm。在所有的實驗中，防護屏的面密度(ρ=0.419 g/cm)、間距(=100.0 mm)和5A06 鋁合金后墻厚度 (=2.5 mm)保持恒定，通過改變彈丸直徑來確定特定速度點的撞擊極限（臨界彈丸直徑）。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。具體實驗參數和結果列于表1 中。

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

圖1 實驗原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of experimental configuration

2 結果與分析

2.1 后墻損傷特征

圖2 為直徑約4.25 mm 的鋁彈丸以約3.5 km/s 速度撞擊2A12 結構、Al/Mg 結構和Ti/Al/Mg 結構的后墻損傷形貌。撞擊速度為3.5 km/s 時，彈丸和防護屏材料碎片仍為固態，撞擊坑的尺寸通常與彈丸碎片尺寸正相關。在實驗3-1 中，后墻產生的撞擊坑主要集中在中軸線附近，在中心損傷區域有7 個直徑大于3.0 mm 的撞擊坑，直徑最大為4.86 mm，對后墻的損傷起決定性作用，后墻后表面出現3 個材料剝落區域，并且在中軸線附近出現了穿孔，這說明結構處于失效狀態，如圖2（a）所示。在實驗3-2 和實驗1-2中，撞擊坑圍繞中軸線呈環狀排列，而在中心區域損傷較小。與2A12 結構相比，彈丸撞擊Al/Mg 結構后，彈丸碎片的質量更加分散，10 個直徑大于3.0 mm 的撞擊坑呈環狀排列，直徑最大為4.30 mm。后墻后表面出現呈圓環排列的凸起，以及一個非穿透性裂紋，說明該結構處于臨界狀態，如圖2（b）所示。從圖2（c）中可以看出，與2A12 結構和Al/Mg 結構相比，Ti/Al/Mg 結構的撞擊坑尺寸明顯減小，有超過25 個直徑大于2.0 mm 的撞擊坑呈環形排列，直徑最大為3.51 mm，后墻后表面環形排列的凸起更加輕微，并且無裂紋和材料剝落。

圖2 在約3.5 km/s 速度撞擊下后墻前表面和后表面(插圖)損傷形貌Fig. 2 Photographs of damage patterns on the front and rear (inset) surfaces of the rear wall produced by an aluminum sphere impacting at about 3.5 km/s

圖3 為直徑約5.75 mm 的鋁彈丸以約6.20 km/s 的速度撞擊2A12 結構、Al/Mg 結構和Ti/Al/Mg 結構后墻的損傷形貌。通常，典型Whipple 結構的后墻損傷區由中心損傷區、環形損傷區和擴散損傷區3 個區域組成。從圖3 中可以看出，Al/Mg 結構和Ti/Al/Mg 結構的損傷區域由中心損傷區和擴散損傷區組成，環形損傷區不明顯。

圖3 在約6.2 km/s 速度撞擊下，后墻前表面和后表面的損傷形貌Fig. 3 Photographs of damage patterns on the front and rear (inset) surfaces of the rear wall produced by an aluminum sphere impacting at about 6.2 km/s

后墻損傷模式與碎片云中的物質狀態密切相關。在2A12 結構中，中心損傷區和擴散損傷區之間存在清晰的邊界，這說明撞擊坑主要由固態材料碎片撞擊形成，這與前期結果一致。在Al/Mg 結構和Ti/Al/Mg 結構中，撞擊坑在中心損傷區邊緣有規律地排列，中心損傷區邊緣外側形成了明顯的由液滴或氣體濺射而形成的“熔融或汽化痕跡”（圖3 中紅色邊框插圖，特別是在圖3（c）中）。經過測量，2A12 結構、Al/Mg 結構和Ti/Al/Mg 結構后墻的主要損傷區域直徑分別為53.1、64.6 和68.3 mm。這說明彈丸撞擊Ti/Al/Mg 結構后，碎片云的擴散角更大，動能被分散到更大的面積上，從而能夠降低對后墻的損傷。此外，Ti/Al/Mg 結構在中軸線附近的損傷程度小于2A12 和Al/Mg 結構，這說明Ti/Al/Mg 結構碎片云中心大碎片的尺寸更小。

圖3 中的白色邊框插圖為對應結構后墻后表面的損傷形貌。對于2A12 結構，后墻中心區域出現了大面積材料剝落和穿孔，這表明結構處于明顯的失效狀態。Al/Mg 結構的防護性能優于2A12 結構，Al/Mg 結構中出現圓環狀的塑性應變區和3 個剝落區域(由大塊固態材料碎片撞擊引起)。而Ti/Al/Mg 結構后墻沒有出現材料剝落，并且塑性應變程度更小，這說明Ti/Al/Mg 結構的防護性能明顯優于其他結構，高阻抗迎撞擊面對彈丸的破碎效應更加明顯。

2.2 理論分析

彈丸和靶材的斷裂破碎可解釋為多次層裂現象，文獻[9]中詳細描述了彈丸撞擊波阻抗梯度防護屏時波的相互作用和多次層裂過程。沖擊波能量和傳播過程是影響彈丸破碎程度的主要因素。除了沖擊壓力，由于熱效應影響著材料的強度和相態，也是影響碎片云中顆粒的尺寸的重要因素，因此，本文中對沖擊壓力和沖擊波卸載后的剩余比內能進行了計算。

彈靶接觸界面的最大沖擊壓力由Hugoniot 沖擊條件決定：

式中：為粒子速度，ρ和分別為材料的零壓密度和聲速，λ 為雨貢紐系數。

比內能可根據Rankine-Hugoniot 關系和Mie-Grüneisen 狀態方程計算。沖擊加載過程所做的功數值上等于-圖上瑞利線以下覆蓋的面積，沖擊加載過程所產生的內能為：

式中：為初始壓力，和分別為初始壓縮比容和最終壓縮比容。

在等熵卸載至零壓過程中，沖擊壓縮的內能被釋放出來。釋放的內能由等熵線()以下的面積決定：

式中：為卸載后的比容。材料的剩余比內能Δ為加載過程中產生的比內能與卸載過程中釋放的比內能之差：

沖擊壓力計算結果如圖4（a）所示，計算所采用的材料參數列于表2中。可以看出，在8.0 km/s的速度下，鋁彈丸撞擊Ti/Al/Mg 防護屏產生的沖擊壓力為137.7 GPa，高于撞擊2A12 防護屏產生的沖擊壓力117.3 GPa。彈丸比內能的計算結果如圖4（b）所示，可以看出，在8.0 km/s 時，鋁彈丸撞擊Ti/Al/Mg 防護屏產生的比內能為1.780 MJ/kg，高于撞擊2A12 防護屏產生的比內能1.447 MJ/kg，即采用Ti/Al/Mg 防護屏后，彈丸溫升可提高23.0%。因此，在相同的撞擊速度下，使用Ti/Al/Mg 防護屏時，由于迎撞擊面材料的波阻抗較高，彈丸內的沖擊壓力和比內能均明顯高于2A12 和Al/Mg 防護屏。因此，Ti/Al/Mg 防護屏產生的碎片云顆粒細化程度比2A12 和Al/Mg 防護屏更高，這正好解釋了其后墻撞擊坑尺寸更加細化的現象。

圖4 沖擊壓力和比內能與撞擊速度的關系Fig. 4 Calculated shock pressure and specific internal energy as a function of the impact velocity

表2 材料主要參數[21-24]Table 2 Key parameters of materials for shock coupling[21-24]

2.3 撞擊極限曲線

撞擊極限是指防護結構受撞擊后發生失效與否的臨界狀態，是評價防護性能的重要形式，通常用臨界彈丸直徑表示。在某一速度下，如果彈丸直徑大于臨界直徑，撞擊后結構將失效，如果彈丸直徑小于臨界直徑，結構將能成功抵御其撞擊。本文中分別以3.5、5.0、6.5、7.0 和8.0 km/s 的速度開展超高速撞擊實驗，通過改變每次實驗的彈丸直徑，來獲得臨界彈丸直徑。

圖5 為撞擊速度為3.5 km/s 時后墻后表面的損傷形貌。實驗1-1 和實驗1-2 中彈丸直徑分別為3.99 和4.25 mm，在后墻上產生了呈環形排列的凸起，沒有材料剝落和穿孔，如圖5（a）～（b）所示。當彈丸直徑提升至4.51 mm 時，實驗1-3 中后墻上形成了兩個穿孔，說明結構失效，如圖5（c）所示。因此，在撞擊速度為3.5 km/s 時，臨界彈丸直徑位于4.25～4.51 mm 之間。

圖5 撞擊速度約3.5 km/s 時Ti/Al/Mg 結構后墻后表面損傷形貌Fig. 5 Photographs of damage to the rear surface of Ti/Al/Mg shield’s rear walls when the impact velocity is about 3.5 km/s

圖6 為撞擊速度為5.0 km/s 時后墻后表面的損傷形貌。實驗1-4 和實驗1-5 中彈丸直徑分別為4.75 和5.00 mm，撞擊后后墻無材料剝落、穿孔、裂紋產生，如圖6（a）～（b）所示。當彈丸直徑增加到5.25 mm 時，后墻出現微小穿孔，如圖6（c）所示，表明實驗1-6 結構失效。在撞擊速度為5.0 km/s 時，臨界彈丸直徑位于5.00～5.25 mm 之間。

圖6 撞擊速度約5.0 km/s 時Ti/Al/Mg 結構后墻后表面損傷形貌Fig. 6 Photographs of damage to the rear surface of Ti/Al/Mg shield’s rear walls when the impact velocity is about 5.0 km/s

在6.5 km/s 速度撞擊下，彈丸直徑為6.27 mm 時，實驗1-9 中后墻出現材料剝落，但未出現穿孔和裂紋，定義為失效狀態，如圖7（c）所示。而在實驗1-7 和實驗1-8 中，Ti/Al/Mg 結構能夠抵御直徑為5.77 和6.00 mm 彈丸的撞擊。因此，臨界彈丸直徑位于6.00～6.27 mm 之間。

圖7 撞擊速度約6.5 km/s 時Ti/Al/Mg 結構后墻后表面損傷形貌Fig. 7 Photographs of damage to the rear surface of Ti/Al/Mg shield’s rear walls when the impact velocity is about 6.5 km/s

在7.0 km/s 速度撞擊下，彈丸直徑為6.00 mm 時，后墻出現環形塑性變形區域，但未失效，如圖8（a）所示。當彈丸直徑為6.25 mm 時，環形區域塑性變形程度更大，后墻中心出現嚴重的穿透性裂紋，但沒有材料損失，如圖8（b）所示。因此，臨界彈丸直徑位于6.00～6.25mm 之間。

圖8 撞擊速度約7.0 km/s 時Ti/Al/Mg 結構后墻后表面損傷形貌Fig. 8 Photographs of damage to the rear surface of Ti/Al/Mg shield’s rear walls when the impact velocity is about 7.0 km/s

圖9 為8.0 km/s 速度撞擊下Ti/Al/Mg 結構的后墻損傷形貌。實驗1-12 結果表明，結構能夠抵御6.25 mm 彈丸的正撞擊，如圖9（a）所示。當彈丸直徑大于等于6.5 mm 時，后墻明顯失效，實驗1-13 和實驗1-14 后墻中心區域出現嚴重撕裂損傷，如圖9（b）～（c）所示。臨界彈丸直徑位于6.25～6.50 mm 之間。

圖9 撞擊速度約8.0 km/s 時Ti/Al/Mg 結構后墻后表面損傷形貌Fig. 9 Photographs of damage to the rear surface of Ti/Al/Mg shield’s rear walls when the impact velocity is about 8.0 km/s

從實驗結果可以看出，隨著撞擊速度的增加，中心區域損傷變得更加嚴重。高速段的失效模式與低速段明顯不同。在低速段，損傷模式通常為一個微小的穿孔。而在高速段，則是中心區域的大面積脫落或撕裂損傷。這是由碎片云形態決定的，在較低的撞擊速度下，固態顆粒的撞擊是點撞擊，容易形成微小的穿孔。隨著撞擊速度的增加，碎片云開始液化、汽化，撞擊后墻面積增大，造成脫落、剝落或撕裂損傷。

圖10 中顯示了Ti/Al/Mg 結構的實驗結果，同時，采用最小二乘法進行擬合得到了Ti/Al/Mg結構的撞擊極限曲線。作為比較，2A12 結構的實驗結果和撞擊極限曲線也顯示在圖中。2A12結構在3～7 km/s 的撞擊極限曲線采用最小二乘法根據實驗結果擬合得到。由于鋁合金結構的區間轉變速度為7 km/s，本文中根據7 km/s臨界彈丸直徑計算結果和8 km/s 臨界彈丸直徑實驗結合擬合得到大于7 km/s 的撞擊極限曲線。對比后可以看出，在實驗速度范圍內，Ti/Al/Mg結構的臨界彈丸直徑明顯大于2A12 結構：撞擊速度為3.5 km/s 時，Ti/Al/Mg 結構的臨界彈丸直徑為4.49 mm，與2A12 結構的3.66 mm 相比提升了22.7%；撞擊速度為6.5 km/s 時，Ti/Al/Mg 結構的臨界彈丸直徑為5.88 mm，比2A12 結構的4.82 mm提高了22.2%；撞擊速度為8.0 km/s 時，Ti/Al/Mg 結果的臨界彈丸直徑為6.58 mm，比2A12 結構的4.88 mm提高了34.8%。因此，隨著撞擊速度的提升，Ti/Al/Mg 結構的防護效能更加明顯。

2.4 區間轉變速度

依據彈丸撞擊防護屏后的響應模式，Whipple結構的典型撞擊極限曲線可分為3 個區間：彈道區(Ⅰ區)、破碎區(Ⅱ區)、熔化/氣化區(Ⅲ區)，主要取決于彈丸的法向分速度，即產生的沖擊壓力和碎片云相態。在Ⅰ區，撞擊沖擊壓力較低，彈丸與防護屏碰撞后發生塑性變形，但基本上保持完整，隨著彈丸速度的提升，臨界彈丸直徑減小。在Ⅱ區，碎片云由固態顆粒和熔融液滴組成，熔融的比例隨著速度的提高而增加，由于熔融需要消耗大量動能，隨著彈丸速度的提升，臨界彈丸直徑增大。在Ⅲ區，彈丸破碎已經達到極限，彈丸完全熔融，撞擊速度的提高將造成更加嚴重的后墻損傷，即隨著彈丸速度的提高，臨界彈丸直徑減小。

沖擊壓力決定了碎片云中固態、熔融和氣化物質的比例。鋁彈丸撞擊鋁合金防護屏時，彈丸在5.5 km/s開始熔融，在7.0 km/s 完全熔融。Ⅱ區到Ⅲ區的轉變速度是彈丸完全熔融開始氣化時的碰撞速度，因此，典型鋁合金防護結構的區間轉變速度為7.0 km/s。然而，當鋁彈丸撞擊非鋁質防護屏時，區間轉變速度可能不為7.0 km/s。

從圖4（a）可以看出，鋁彈丸以7.0 km/s 的速度撞擊2A12 防護屏產生的沖擊壓力為96.3 GPa，等于鋁彈丸以6.2 km/s 的速度撞擊Ti/Al/Mg 防護屏時所產生的沖擊壓力。也就是說，鋁彈丸撞擊Ti/Al/Mg 防護屏發生完全熔融，從Ⅱ區到Ⅲ區轉變速度應小于7.0 km/s。然而，從圖10 的實驗結果中可以看出，Ti/Al/Mg 結構的Ⅱ區到Ⅲ區的轉變點并未出現，在3～8 km/s 的速度時，臨界彈丸直徑隨撞擊速度的提高而增加，這與典型Whipple 結構在Ⅱ區到Ⅲ區轉變點（7 km/s）之后臨界彈丸直徑隨著撞擊速度的提高而減小不同。

圖10 Ti/Al/Mg 結構和2A12 結構的撞擊極限Fig. 10 Ballistic limit curves and test data for Ti/Al/Mg shields compared to 2A12 shields

3 結 論

針對Ti/Al/Mg 防護結構的撞擊極限開展了實驗研究。在二級輕氣炮超高速發射裝置上，開展了Ti/Al/Mg 結構、2A12 結構和Al/Mg 結構以3～8 km/s 速度的超高速撞擊實驗27 發。與2A12 結構和Al/Mg 結構相比，Ti/Al/Mg 結構具有更加優異的防護性能。在撞擊速度為8.0 km/s 時，沖擊壓力和彈丸中的比內能分別增加了23.0% 和30.7%，這對碎片云顆粒的進一步細化具有重要作用。建立了Ti/Al/Mg 結構在3～8 km/s 范圍內的撞擊極限曲線，并與相同面密度的2A12 結構進行了對比。結果表明：與2A12 結構相比，Ti/Al/Mg 結構的防護性能大幅提升，在約8.0 km/s 速度下，Ti/Al/Mg 結構的彈丸臨界直徑為6.58 mm，與2A12 結構的4.88 mm 相比提高了34.8%。計算結果表明：Ti/Al/Mg 結構從Ⅱ區到Ⅲ區的轉變速度小于7.0 km/s。然而，從實驗結果上看，Ti/Al/Mg 結構區間轉變速度點并未出現，這與典型Whipple 結構撞擊極限曲線存在差異。后續還需要開展更多的超高速撞擊實驗，進一步研究Ti/Al/Mg 結構的撞擊極限以及未出現區間轉變的原因。