Al/Mg 波阻抗梯度材料加强型Whipple 结构超高速撞击特性研究*

张品亮，宋光明，龚自正，田东波，武 强，曹 燕，李 宇，李 明

（1. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094；2. 中国空间技术研究院，北京 100094）

Whipple 防护结构能够显著提升航天器抵御空间碎片超高速撞击的能力[1]。目前，国际上已经基于Whipple 结构提出了多种构型的防护结构来提升航天器的空间碎片防护能力[2-4]。防护结构的原理是在舱壁外一定距离处放置防护屏来破碎入射物体，通过防护屏与舱壁之间的间距使碎片充分扩散，将点撞击转化为面撞击从而降低对舱壁的损伤。因此，防护屏决定着弹丸的初始破碎过程，是决定防护结构性能的主要因素[5]。

波阻抗梯度材料加强型Whipple 结构的防护性能在以往的研究中已被证明[6-9]，其采用阻抗梯度材料替换均质铝合金防护屏。Huang 等[6]和侯明强等[8]分别研究了Fe77Si14B9/LY12 和Ti6Al4V/LY12/PA66 梯度材料加强结构的超高速撞击特性，验证了其优异的防护性能，发现防护屏表面的高阻抗涂层能够在弹丸中产生更高的冲击压力和温升，使弹丸破碎程度提高。此外，波的传播和冲击波反射行为在阻抗梯度屏与单层屏中表现不同，阻抗梯度屏中的冲击波通过多次反射和透射而具有更高的能量耗散率[10]。虽然目前针对阻抗梯度材料已经开展了少量超高速撞击实验研究，但是对阻抗梯度材料超高速撞击特性和防护机理并未形成规律性认识。Zhang 等[9]对防护屏面密度等效于1.0 mm 厚铝合金的Al/Mg 防护结构在3.5 和6.5 km/s 冲击速度下的超高撞击特性进行了研究，但并未开展5.0 km/s 冲击速度下的超高速撞击实验及多种面密度Al/Mg 防护屏的超高速撞击特性研究。

本文中提出了一种由铝合金表层和镁合金基底组成的新型Al/Mg 阻抗梯度防护屏。不同于以往的波阻抗梯度防护屏，其面密度与1.5 mm 厚的铝合金相同，具有与铝合金防护屏相同的冲击耦合过程。采用文献[9]中的研究方法，通过初步超高速撞击对比分析实验，研究了新型Al/Mg 防护结构在5.0 km/s 冲击速度下的超高速撞击特性，结合理论分析研究了影响其防护性能的主要因素。

1 实验方法

Al/Mg 防护屏由0.8 mm 厚的2A12 铝合金和1.1 mm 厚的AZ31B 镁合金组成，通过扩散焊方式制备[11]。采用二级轻气炮在5.0 km/s 冲击速度下开展了Al/Mg 防护结构超高速撞击实验，弹丸材质为2A12 铝合金。还开展了铝合金防护结构对比实验，防护屏为1.5 mm 厚的2A12 铝合金。在所有实验中，后墙均为2.5 mm 厚的5A06 铝合金，防护屏与后墙的间距为100 mm，防护屏的面密度为0.419 g/cm2。图1(a)为超高速撞击实验原理图。实验中采用序列激光阴影照相技术记录碎片云的产生过程。失效准则定义为后墙后表面有材料剥落或清晰的穿孔，临界状态为后墙出现层裂鼓包并伴随着单一的非穿透裂纹。表1 给出了实验参数，其中D和v0分别为弹丸直径和初始速度，d为防护屏的厚度。

图1 实验原理示意图及防护结构实物图Fig.1 Schematic diagram of the experimental principle and photo of a Whipple shield

表1 超高速撞击实验参数与结果Table 1 Hypervelocity impact test conditions and results

2 实验结果

2.1 防护屏损伤特征

图2(a)和图2(b)分别为铝合金和Al/Mg 防护屏的穿孔形貌。可以看出，穿孔均为圆形，边缘出现花瓣状翻边。与铝合金防护屏相比，Al/Mg 防护屏上翻边更明显，边缘高度更大。Al/Mg 防护屏的穿孔直径为13.5 mm，大于铝合金防护屏的穿孔直径12.2 mm。此外，Al/Mg 防护屏受撞击后出现铝合金与镁合金层剥离现象。

图2 防护屏受撞击后形成的穿孔形貌Fig.2 Perforation morphologies of shield bumpers subjected to impact

2.2 碎片云特征

通常，碎片云由反喷、扩散和主体结构3 部分组成。主体结构可分为前端、中心和后部3 个区域[12]。图3(a)为直径为5.25 mm 的铝弹丸以4.893 km/s 的速度撞击铝合金防护屏所产生的碎片云形貌，可以看出弹丸撞击铝合金防护屏后，碎片云结构清晰分明，质量主要集中在碎片云前端。图3(b) 为直径为5.25 mm 的铝弹丸以4.826 km/s 的速度撞击Al/Mg 防护屏所产生的碎片云形貌，碎片云主体结构边界无法分辨，未出现弹丸撞击速度为6.5 km/s 时明显的前端外泡现象[9]，从探测光透过率可以看出，其碎片云的质量分布更均匀。此外，Al/Mg 防护屏较铝合金防护屏所产生碎片云的颗粒度更细化。

根据碎片云激光阴影序列图像可计算得到碎片云的轴向速度va(头部速度)和径向速度vb(扩散速度)。铝合金和Al/Mg 防护屏所产生碎片云轴向速度分别为5.603 和5.558 km/s，径向速度分别为2.486 和2.696 km/s。可见，Al/Mg 碎片云的头部速度低于铝合金碎片云的头部速度，而其径向速度高于铝合金碎片云的径向速度。Al/Mg 碎片云的扩散半角为25.9°，大于铝合金碎片云的扩散半角23.9°。

图3 弹丸撞击防护屏所产生的碎片云形貌Fig.3 Morphologies of debris cloud induced by impact of projectiles on shield bumpers

2.3 后墙损伤特征

图4(a)和图4(b)为2 种防护结构受5.0 km/s 铝弹丸撞击后的后墙前表面损伤形貌。通常，可以通过表面形貌判断受撞击后材料是否发生相变。后墙损伤区域可分为中心撞击坑区、环形撞击坑区和扩散撞击坑区3 个区域。在Test 1-1 中，弹丸撞击铝合金防护结构后，在后墙形成的3 个撞击坑区域存在明显边界。在Test 1-2 中，弹丸撞击Al/Mg 防护结构后，未出现明显的环形撞击坑区域，后墙损伤区域由中心撞击坑区和扩散撞击坑区组成，且存在明显的边界，未出现明显的液化或气化痕迹。这说明在2 次实验中碎片云中的材料均未发生明显相变[13]，撞击坑主要由固态弹丸碎片和固态防护屏碎片撞击而形成。但是，当撞击速度达到6.5 km/s 时，部分防护屏材料将液化或气化[9]。

通过测量中心撞击坑区域的直径来获得固态弹丸碎片的扩散范围，如图4 中的圆形区域所示。结果表明：Test 1-2 中心撞击坑区域直径为51.3 mm，大于Test 1-1 的41.0 mm。这说明在相同撞击条件下Al/Mg 碎片云的扩散区域大于铝合金碎片云的扩散区域。在扩散区域中，2 种撞击条件下撞击坑的排列方式明显不同：在铝合金结构中撞击坑在中心撞击区域周围呈放射型排列，如图4(a) 所示；而在Al/Mg 结构中，撞击坑在中心撞击区域周围呈无序排列，如图4(b)所示。Al/Mg 结构中的平均撞击坑直径小于铝合金结构的平均撞击坑直径。

Al/Mg 结构和铝合金结构后墙后表面的损伤形貌如图4(c)和图4(d)所示。在Test 1-1 中，后墙轴线附近形成严重的塑性变形，伴随有大量层裂裂纹，并且周围存在多处穿孔和材料剥落，明显为失效状态，如图4(c)所示。对于Test 1-2，与Test 1-1 相比其结构后墙后表面的损伤程度明显减轻，仅出现一个中心鼓包和环形鼓包区，在轴线上出现一个轻微的层裂裂纹，可定义为临界状态。这说明在5.0 km/s 的撞击速度下，Al/Mg 结构与铝合金结构相比具有更优异的防护性能。

图4 2 种防护结构受铝弹丸以5.0 km/s 的速度撞击后其后墙表面的损伤形貌Fig.4 Damage patterns on the rear wall surfaces of the two shield structures impacted by aluminum projectiles with the velocity of 5.0 km/s

3 分析与讨论

与铝合金防护结构相比，Al/Mg 防护结构的超高速撞击特性具有4 个主要特征：(1)中轴线附近的损伤较轻微。由于中心大碎片决定着后墙中轴线上的损伤程度，因此撞击Al/Mg 防护屏所产生碎片云的中心大碎片尺寸更小。(2)碎片云扩散半角大。(3)扩散撞击坑区域内撞击坑细化程度更高。(4)防护屏穿孔翻边更明显。

3.1 冲击耦合过程

弹丸撞击防护屏是一个冲击耦合和冲击波传播的过程，冲击波能量和冲击波传播过程决定着弹丸的破碎程度[14-15]。冲击耦合过程不受靶材面密度(或厚度)的影响，主要由弹丸和靶材的波阻抗决定，波阻抗为材料密度和声速的乘积。弹丸和防护屏接触面的冲击压力pH可通过Hugoniot 关系得到[16]：

式中：下标“1”代表弹丸， ρ0为密度，c0为零压体积声速， λ 为材料常数；up为波后粒子速度，可通过阻抗匹配方法计算得到。表2 给出了计算中所用的材料参数，γ0为零压Grüneisen 参数。在本文中，铝弹丸撞击铝合金和Al/Mg 防护屏均为铝-铝碰撞事件，具有相同的冲击耦合过程。在铝弹丸以5.0 km/s 的速度撞击时，冲击波峰值压力为59.8 GPa，冲击压力低于铝的冲击熔化压力pm，因此，实验中后墙撞击坑主要由固态碎片撞击而形成。

表2 材料冲击耦合主要参数[17-19]Table 2 Key parameters of materials for shock coupling[17-19]

冲击波能量产生过程和大小可通过球体撞击平板冲击耦合模型获得[20]。假设接触区域为一个长轴为ac和短轴为bc的椭圆形区域，冲击波能量可通过下式得到[15]：

式中：us1为弹丸中的冲击波速度，tc为接触区域扩散至最大半径的时间，tr为稀疏波到达中轴线的时间。

在Test 1-1 和Test 1-2 中，冲击波能量Ec=38.9 J，长轴ac=1.3 mm，轴向冲击波脉冲的厚度bc=0.31 mm。研究表明约有10%的冲击波能量转化为弹丸的热能[15]，因此在本文实验条件下，弹丸中约有3.9 J 的冲击波能量转化为弹丸热能。根据热力学定律计算得到：将直径为5.25 mm 的铝弹丸完全熔化需要111.5 J 的能量。因此，在5.0 km/s 的撞击条件下，冲击波转化的热能仅为弹丸完全熔化所需能量的3.5%，不足以使铝弹丸熔化。

3.2 波传播特性

冲击波在阻抗梯度材料靶中的传播过程受阻抗匹配的影响，这与冲击波在均匀单层靶中的传播过程不同。初始弹丸撞击Al/Mg 防护屏后，将同时产生2 个反向传播的冲击波S1 和S2。卸载波R1 向中轴线传播，对冲击加载后区域进行卸载。当冲击波由高阻抗面传播至低阻抗面时，将在界面处同时产生一个透射冲击波和反射稀疏波。因此，S2 到达铝合金-镁合金界面时将同时形成反射稀疏波R2 和透射冲击波S2′。稀疏波R2 向弹丸中传播并追赶S1。如果R2 不能追赶上S1，整个弹丸将被压缩并形成温升，然后冲击波S1 到达弹丸自由面反射一个稀疏波R3。当R2 与R3 相遇，将形成拉伸作用，如果拉伸应力超过材料强度，将发生层裂或断裂。当透射波S2′到达Al/Mg 屏的自由面时，将再次向弹丸中反射一个稀疏波R4。当R4 与R3 叠加，则再次出现层裂。层裂层为一个新的界面，稀疏波在层裂层和界面处来回反射使弹丸完成破碎。也就是说，Al/Mg 结构中形成的细化中心大碎片是由多次层裂现象造成的，这不同于单层铝合金的单点层裂现象[9]。

通常，d/D决定了弹丸在固定撞击速度下的初始破碎阈值。在本文实验中，铝合金防护屏和Al/Mg 防护屏的d/D分别为0.286 和0.152(在Al/Mg 中，d为铝合金层的厚度)，均大于在5.0 km/s 时的初始破碎阈值0.024[21]，这说明防护屏中反射的稀疏波未对弹丸中的初始冲击波产生影响。

实验中铝合金和镁合金层中的冲击波速度可通过关系式us=c0+λup计算得到，分别为8.595 和8.288 km/s。冲击波到达铝合金防护屏和Al/Mg 防护屏自由面的时间分别为0.175 和0.226 µs。可以看出冲击波在Al/Mg 屏中的传播时间明显长于其在铝合金屏中的传播时间，这使得弹丸和防护屏中的冲击波有充分的时间转化为内能，并且由于延长了稀疏波的作用时间，稀疏波的拉伸作用使碎片云的扩散角更大。

3.3 热力学状态

冲击波加载是一个非等熵的过程，卸载是一个等熵过程，材料的终态将获得温升。冲击加载过程所做的功数值上等于p-V图上瑞利线以下覆盖的面积，冲击加载过程所产生的内能EH为[22-23]：

式中：p0为初始压力，V0和VH分别为初始和达到阻抗匹配压力后的比容。材料在等熵卸载到零压的过程中，冲击压缩的内能会被释放，释放的内能ES由等熵线p(S)以下的面积决定：

式中：VR为卸载后的比容。材料的残余内能ΔE为冲击加载过程产生的内能与卸载过程释放的内能之差：

Al/Mg 防护屏的残余内能为[9]：

式中：d为各层材料的厚度，下标“b1”代表2A12 层，“b2”代表AZ31B 层。在撞击速度为5.0 km/s 时，Al/Mg 防护屏中的残余内能为0.716 MJ/kg，与铝合金屏的残余内能0.526 MJ/kg 相比，Al/Mg 防护屏中的ΔE增加了36.1%。这验证了文献[9]中的结论：随着温升的增大材料层裂强度降低，受撞击后防护屏更易产生细化的碎片，这就是后墙扩散区域内撞击坑尺寸更小的原因。

4 结 论

本文中研究了一种新型Al/Mg 波阻抗梯度材料加强型Whipple 结构的超高速撞击特性。在5.0 km/s 的撞击速度下，针对具有同等面密度的Al/Mg 结构与铝合金结构初步开展了超高速撞击对比实验，结果表明：撞击过程中未出现液化或气化现象，Al/Mg 结构具有更优异的防护性能。由于2 次实验均为铝-铝撞击事件，2 种类型防护屏在相同撞击条件下具有相同的冲击波压力和能量：59.8 GPa、38.9 J。基于冲击波理论分析了冲击波传播和热力学状态，结果表明：Al/Mg 防护屏改变了冲击波的传播路径和时间，冲击波到达防护屏自由面的时间由铝合金防护屏的0.175 µs 增长至0.226 µs，使弹丸和防护屏材料有足够的时间破碎和温升，并且使弹丸碎片扩散的区域更广。多层裂现象提升了弹丸的破碎程度，使碎片云中心的大碎片明显细化。此外，在撞击速度为5.0 km/s 时，Al/Mg 防护屏中的残余内能与铝合金防护屏中的残余内能相比增加了36.1%。不同面密度的Al/Mg 结构均具有较高的内能转化率，表现出优异的动能耗散特性。因此，除在防护屏中采用高阻抗的迎撞击面来提升冲击压力和温升从而提升弹丸破碎程度外，通过改变防护屏的波阻抗梯度特征，也能实现弹丸和防护屏碎片的细化，并且能够耗散更多的系统动能。波阻抗梯度材料为一种具有潜在应用前景的空间碎片防护屏材料，未来需要开展更多的超高速撞击实验，对其超高速撞击特性和防护性能进行进一步验证，此外，可开展不同面密度波阻抗梯度材料防护屏设计，来满足不同类型航天器的防护需求。