铝球弹丸高速正撞击金属网防护屏实验研究

管公顺，张 羽，蒲东东

(哈尔滨工业大学 航天学院 航天工程系，哈尔滨 150080)

空间碎片高速撞击为航天器在轨安全运行的潜在威胁之一[1-2]。用于防护毫米级空间碎片超高速撞击的有效方法为在航天器外部加装防护屏，通过其对撞击粒子的破碎膨胀效应形成不断扩展的碎片粒子群，减小舱壁单位面积所受撞击动能，从而减轻高速粒子对航天器的撞击破坏[3-5]。与相同材料的板状防护屏相比，金属网防护屏面密度更低，相同防护能力下可显著减轻防护屏质量[6-7]。对金属网防护结构超高速撞击损伤特性研究有：Horz等[8]研究高速粒子撞击铝网多冲击防护屏损伤形态，并分析将铝网作为防护屏填充介质的可行性；Higashide等[9]研究金属网对聚碳酸酯弹丸高速撞击破碎响应，并分析粒子初始撞击速度对次生碎片云质心速度影响；Myagkov等[10]建立高速粒子撞击金属网防护屏弹塑性模型，并分析弹丸与网丝相互作用。而对撞击粒子尺寸与金属网几何编织尺寸及粒子撞击金属网位置对撞击破碎特性影响研究较少。本文利用二级轻气炮发射2017-T4铝球弹丸，对不同几何编织尺寸的金属网进行高速撞击实验，获取金属网后面观察板弹坑分布模式，研究高速撞击下金属网对铝球的破碎效应及次生碎片粒子群分布特性，分析观察板弹坑分布与铝球直径、金属网面密度关系。

1 高速撞击实验

选1种不锈钢网、5种5052铝合金网进行高速撞击实验。金属网参数见表1，其中n为金属网目数，即25.4 mm长度中网格数；dm为网丝直径；ρa为金属网面密度。在金属网后100 mm处放置厚度3 mm的5A06铝合金板为观察板，见图1。金属网及观察板的撞击面均为正方形，边长分别为120 mm，200 mm。通过分析观察板损伤及弹坑分布特性研究金属网对高速撞击铝球的破碎效应及铝球破碎后次生碎片粒子分布特性。

图1 实验结构示意图

表1 金属网参数

实验采用二级轻气炮加速铝球弹丸，轻气炮一级驱动气体为氮气，充气压力7～12 MPa，二级驱动气体为氢气，充气压力0.1 MPa，弹丸发射采用分体式弹托气动分离技术。撞击弹丸为2 017铝球，直径为2 mm、2.38 mm、3.18 mm、3.97 mm、6.35 mm，弹丸撞击速度2.76～4.24 km/s，撞击角 0°，速度测量用磁感应方法，测量精度高于2%，靶舱内压力小于200 Pa，环境温度为室温。铝球弹丸高速撞击金属网发生非均匀破碎，同时，撞击处的金属丝断裂。弹丸碎片与金属网破片撞击观察板使其出现成坑、穿孔、鼓包、剥落等损伤形式。观察板典型破坏表现为：撞击中心出现较大穿孔，中心穿孔周围小穿孔或小弹坑呈触须状分布。触须状小弹坑簇中坑径较大靠近中心穿孔。与观察板撞击面较大弹坑对应，观察板背面出现不同高度小鼓包，部分观察板撞击面损伤结果见图2、图3。弹丸撞击、观察板损伤参数见表2，其中dp，v，M，Dw，N，L1，L2，D1，D2，D99分别为弹丸直径、撞击速度、弹丸撞击金属网影响的网孔数、观察板等效面积穿孔直径、触须状弹坑簇数量、单触须弹坑簇最大长度、对称触须弹坑簇最大长度、观察板坑径大于1 mm的弹坑分布范围直径、观察板坑径大于2 mm的弹坑分布范围直径、观察板弹坑最大分布范围直径。观察板等效面积穿孔直径由观察板所有不规则穿孔面积之和等效得出。表2中S，A分别表示不锈钢网、铝网，字母后数字表示实验次序，“-”后数字与表1中材料序号对应。

图2 不锈钢网后观察板穿孔及弹坑分布

表2 实验结果

2 分析及讨论

铝球弹丸高速撞击防护屏造成的破碎效应与撞击速度、防护屏材料及结构形式有关。当防护屏为板状结构时，铝球击穿防护屏后将产生近似椭球形膨胀扩展的碎片云团。随撞击速度增加铝球破碎更均匀，碎片云团中粒子尺寸更小。观察板破坏形式由中心撞击坑或穿孔变为非击穿的局部后表面材料鼓包、剥落，直至观察板整体塑性后凸、撕裂。正撞击时在观察板上形成近似圆形分布的小弹坑群，且撞击速度越高、弹坑越小、分布越均匀。与板状防护屏不同，金属网防护屏为非密实各向异性结构，铝球与金属网撞击作用存在非均匀性，金属丝局部冲击切割作用使撞击粒子破碎，在金属网后形成喷射状碎片粒子簇，其形状及分布随球形弹丸撞击金属网位置不同而不同。此时观察板严重破坏点不再局限于撞击中心，出现分散的穿孔失效点(图2)。观察板上出现的多条触须状弹坑簇数量与球形弹丸撞击金属网位置有关。球形弹丸撞击金属网典型位置为网格孔中心点(to blank)、 网丝交叉点(to cross)、单网格丝线中点(to line)，见图4。球形弹丸撞击金属网不同位置产生的喷射状碎片粒子簇撞击观察板形成的触须状弹坑簇分布见图5。

图4 金属网典型撞击位置

图5 观察板典型弹坑分布

金属网对高速撞击粒子的破碎效应可通过观察板损伤及弹坑分布特性进行分析。铝球弹丸高速撞击不锈钢网后观察板撞击中心穿孔直径及弹坑分布特征参数随铝球直径变化规律见图6。此时撞击速度在3.82～4.13 km/s之间。本文拟合图6曲线时所用参数除弹丸直径2.38 mm 时1次实验获得外，其余弹丸直径均为两次或多次同种直径弹丸撞击不锈钢网获所得参数平均值。对本文所选不锈钢网防护屏在该撞击速度下，观察板等效面积穿孔直径随铝球直径增大近似呈正比增加。次生碎片粒子在观察板的最大撞击影响范围、较大弹坑分布范围及触须状弹坑簇长度均随铝球弹丸直径的增加而增大, 但增加幅度逐渐减慢。说明弹丸直径增大其撞击动能更大，对金属网、观察板更具破坏力，产生更多尺寸较大次生碎片。原因为在金属网丝径及编织尺寸不变情况下，铝球弹丸直径增大，会有更多金属丝与弹丸发生冲击作用。由于弹丸体积增大，网丝间距不变，因而撞击后次生碎片云中大尺寸粒子数量增多，对观察板影响范围更大；但随铝球弹丸直径的增大金属网丝对弹丸的破碎能力减弱，迫使因撞击粒子尺寸增大造成观察板弹坑分布范围扩大的影响逐渐减小。

图6 铝球直径与观察板撞击损伤关系

金属网几何编织参数主要包括丝径、丝间距及目数。在材料相同的情况下，面密度可作为评价金属网破碎高速撞击粒子能力的依据。图7给出了不同直径的铝球高速撞击5052铝网后观察板上弹坑分布特征参数随铝网面密度的变化规律，拟合该曲线的5052铝网面密度分别为0.016 g/cm2、0.02 g/cm2、0.032 g/cm2和0.039 g/cm2。此时，铝球直径分别为2.38 mm、3.18 mm和3.97 mm，撞击速度在3.78～4.24 km/s之间。可以看出，在该撞击速度下，随着铝网面密度的增加，观察板上次生碎片撞击所形成的较大弹坑分布范围和触须状弹坑簇长度近似呈正比增加，且观察板上次生碎片的最大影响范围扩大。这说明，金属网面密度是影响高速撞击粒子破碎的主要因素，金属网面密度的增加使撞击后次生碎片云中包含了除中心大粒子外的更多相对较大尺寸的粒子，这部分相对较大尺寸的粒子主要来源于破碎能力增强的金属网对铝球的进一步破碎分解以及由于金属网自身尺寸增加后断裂破碎所产生的金属网破片。

金属网材料不变，增大网丝直径或增加丝网目数可提高金属网面密度。网丝直径增大，可使金属网单丝抗冲击能力增强；目数增加，在撞击过程中将会有更多金属丝与铝球发生作用。其结果将导致撞击粒子被金属网破碎程度增大，次生碎片粒子增多。由于作用强度增大，次生碎片获得更大横向扩展速度，因而扩大观察板的撞击影响范围。

铝球高速撞击金属网防护屏将产生非均匀扩展喷射的触须状碎片粒子簇，其分布存在对称性，触须状碎片粒子簇数量及分布与铝球直径、金属网目数、铝球撞击金属网位置有关，碎片粒子簇撞击观察板形成触须状弹坑簇。本文所用不锈钢网及铝网实验后观察板上触须状弹坑簇数量随弹丸撞击金属网影响的网孔数变化见图8(a)，此时撞击速度为3.62～4.24 km/s；本文所用不锈钢网实验后观察板上触须状弹坑簇数量随铝球直径变化见图8(b)，此时撞击速度为3.82～4.13 km/s。由图8高速粒子与金属网撞击的三种典型位置看出，观察板触须状弹坑簇数量均随铝球直径及弹丸撞击金属网影响网孔数的增加呈增加趋势。但对相同铝球直径或相同弹丸撞击金属网影响的网孔数，铝球高速撞击网格孔中心点时，观察板的触须状弹坑簇数量最多；铝球高速撞击单网格丝线中点时观察板的触须状弹坑簇数量最少。说明增加铝球弹丸与金属网撞击作用接触面积可增加次生碎片云中粒子数量，使次生碎片云中粒子分布及扩散区域更均匀，接近铝球高速撞击均匀板状结构产生的次生碎片云扩展形态。金属网参数不变时增加铝球弹丸直径或铝球直径不变时增加弹丸撞击金属网影响的网孔数，均可增加铝球与金属网撞击接触面积，使铝球所受冲击作用更均匀。

图7 铝网面密度与观察板撞击损伤关系

3 结 论

(1) 铝球弹丸高速正撞击金属网会产生放射扩散的触须状次生碎片簇，其数量随铝球与金属网撞击接触面积的增加呈逐渐增多、分布均匀趋势。

(2) 相同撞击速度下铝球直径增大会导致金属网后观察板的等效面积穿孔直径、相对较大弹坑影响范围及触须状弹坑簇长度增加。

(3) 铝球弹丸高速正撞击金属网位置不同会影响触须状次生碎片簇分布及数量。铝球弹丸高速正撞击网格孔中心时观察板上触须状弹坑簇数量较多。

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