后墙拆分结构防护性能的实验和计算对比研究*

文雪忠，黄 洁，赵君尧，柯发伟，马兆侠，柳 森

（中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，四川 绵阳 621000）

随着人类航天事业的迅猛发展，大量的航天器被部署到太空，航天器废弃、相互碰撞解体等事件也产生了越来越多的空间碎片。这些空间碎片的速度极高（平均速度超过10 km/s），当撞击到航天器时将造成航天器的结构损伤、功能失效、甚至解体损毁等。因此，防护结构是航天器抵御空间碎片撞击，特别是抵御尺寸较小、无法被跟踪监测的空间碎片撞击的最重要屏障，在不增大结构尺寸和质量的前提下，提升结构对空间碎片的防护性能始终是一项具有重要应用价值的工作[1]。

从Whipple 结构开始，以提升结构防护性能为目标，已发展了多种类型的防护结构[2]，如：改变缓冲屏结构、增强结构对空间碎片破碎效果的改进型Whipple 结构[3-6]；在缓冲屏与后墙之间填充轻质吸能结构、减弱碎片云对结构后墙损伤的填充式结构[7-11]；增加结构中的防护层数，提高对碎片云破碎和阻挡作用的三层铝板结构[12]；改变防护层常规平行布局方式、利用倾斜布置中间层来进一步分散碎片云撞击能量的N 形结构[13]等。

以探索改变后墙结构来提升防护性能为目的，Wen 等[14]初步验证了在后墙表面紧贴一层轻质材料来提供结构防护性能的可行性，Wen 等[15]初步研究了对后墙进行拆分来提高结构防护性能的可行性。为了进一步检验后墙拆分方式对提升结构防护性能的有效性，本文中设计典型的后墙拆分防护结构，通过开展数值模拟研究，探讨Whipple 结构与后墙拆分结构防护性能的差异，分析铝球以不同速度撞击防护结构后墙的损伤情况，初步对比研究后墙拆分结构在不同撞击速度下的防护性能。针对典型撞击状态开展实验，对比后墙拆分形式不同的两种结构的防护性能，并与相同面密度的Whipple 结构的防护性能进行对比，同时通过实验对比验证数值模拟的有效性，进一步验证后墙拆分结构的防护性能。

1 防护结构形式

选择典型的Whipple 结构作为基准，其缓冲屏、后墙、观察屏厚度分别为2、3 和1 mm，相邻两块铝板间距分别为100 和50 mm，如图1(a)所示。在此基础上将后墙拆分为两块铝板叠加的结构，共获得两种后墙拆分(separated rear wall)防护结构，分别编号为SRW1 和SRW2，如图1(b)和1(c)所示。其中SRW1 后墙第1 层板厚1 mm，第2 层板厚2 mm；SRW2 后墙第1 层板厚2 mm，第2 层厚1 mm。3 种防护结构的具体尺寸如表1 所示，防护结构的材料均选用2A12 铝。

图1 3 种防护结构示意图Fig. 1 Sketches for three kinds of shield structures

表1 3 种防护结构尺寸参数Table 1 The sizes of three kinds of shields

2 后墙防护性能数值模拟

研究防护结构在较高动能弹丸撞击下的性能优劣时，为了更贴近空间碎片实际撞击情况，采用直径6.0 mm 的2A12 铝球作为弹丸，分别以5.0、6.0、7.0 和8.3 km/s 的典型速度撞击这3 种防护结构。采用Autodyn 软件开展了铝球撞击两种防护结构（Whipple 结构和SRW1 结构）的数值模拟，模型为1/2 对称二维模型，其中对弹丸和缓冲屏采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法建模（粒子尺寸为0.05 mm），对后墙采用Lagrange 建模（网格尺寸为0.1 mm）。弹丸、缓冲屏和后墙材料的状态方程均采用Autodyn 数据库中2A12 铝对应的Tillotson 状态方程，强度模型采用Johnson-Cook 强度模型，失效模式采用Grady 层裂模型以表征材料的层裂现象。

Tillotsen 状态方程是将p-v 平面分成4 个区域，每个区域对应的方程形式如下。

Whipple 结构和SRW1 结构在直径6.0 mm 的弹丸以4 种速度撞击下后墙损伤情况的模拟结果见图2～3，图2 中浅蓝色线条表示Whipple 结构中厚度为3 mm 的后墙铝板，图3 中浅蓝色线条表示SRW1结构中厚度为1 mm 的后墙前板，红色线条表示SRW1 结构中厚度为2 mm 的后墙后板。图2～3 所示模拟时刻均为撞击后40 µs。

图2 Whipple 结构后墙在直径6.0 mm 的弹丸以不同速度撞击后40 µs 的损伤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

从图2～3 可以看出，在相同撞击速度下，SRW1 结构后墙的损伤明显轻于Whipple 结构后墙的损伤。例如：在5.0 km/s 时，Whipple 结构后墙撞击中心区域出现明显层裂或剥落（直径约16 mm）以及较大尺寸的穿孔（直径约3 mm），而SRW1 结构后墙仅在撞击中心区域出现小尺寸剥落（直径约9 mm）和临界穿孔；在6.0 km/s 时，Whipple 结构后墙出现较大尺寸层裂或剥落（直径约30 mm），而SRW1 结构后墙未出现穿孔和剥落损伤，仅在撞击中心区域出现变形和鼓包；在7.0 km/s 时，Whipple 结构后墙同样出现了较大尺寸的层裂和剥落（直径约38 mm），而SRW1 结构后墙未出现穿孔和剥落损伤，同样仅在撞击中心区域出现变形和鼓包；在8.3 km/s 时，Whipple 结构的后墙背面在撞击中心区域出现剥落损伤，损伤区域直径范围为15～19 mm（数值模型为1/2 对称模型，则全尺寸数值模型对应的损伤区域直径为30～38 mm），而SRW1 结构后墙撞击中心区域出现较明显变形鼓包，但未出现穿孔或剥落损伤。

从模拟结果可看出，在5.0～8.3 km/s 撞击速度范围内，SRW1 结构后墙的损伤均轻于Whipple 结构后墙的损伤，且随着撞击速度的增高，这种差别具有增大的趋势。上述模拟结果表明，后墙拆分能够降低防护结构后墙的损伤，具有在不改变结构尺寸和质量的基础上进一步提升结构防护性能的优势，而且这种优势具有随着撞击速度的增高而增大的趋势。

图3 SRW1 结构后墙在直径6.0 mm 的弹丸以不同速度撞击后40 µs 的损伤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 后墙防护性能实验验证

为了验证数值模拟方法与结果的正确性，同时进一步研究后墙拆分方式对结构防护性能的影响，针对3 种面密度相同的防护结构开展了超高速撞击实验，实验在超高速弹道靶[16]上开展，见图4。

参照图1 所示的防护结构，组装得到3 种防护结构，如图5 所示。

选择典型数值模拟状态作为实验工况开展对比研究，实验弹丸为直径6.0 mm 的2A12 铝球，铝球以约8.3 km/s 的速度分别撞击这3 种防护结构，实验后3 种结构的后墙损伤情况如图6～8[14]所示。

从图6～8 可以看出，在相近的撞击参数下，3 种结构后墙正面均出现大面积的撞击痕迹，背面均出现明显鼓包变形，但未被击穿。其中Whipple 后墙背面出现较大尺寸的剥落损伤，剥落区域直径约为35 mm；SRW1 结构后墙中的两层板均未出现剥落损伤；SRW2 结构后墙中的第1 层板剥落损伤，但第2 层板出现较小尺寸的剥落损伤，剥落区域尺寸明显小于Whipple 结构的，仅约为9 mm。此外，在Whipple 结构观察屏正面还可看到后墙剥落碎片撞击形成的凹坑，在背面可看到剥落碎片撞击形成的鼓包，而SRW2 结构观察屏上未发现明显的撞击损伤痕迹。具体损伤结果见表2。

图4 超高速弹道靶Fig. 4 Hypervelocity ballistic range

通过对比3 种结构后墙的损伤情况，可以看出其中损伤最严重的是Whipple 结构，其次是SRW2 结构，最后是SRW1 结构。因此可以进一步判断，在上述实验状态下，SRW1 结构防护性能最佳，SRW2 结构防护性能次之，Whipple 结构防护性能最差。

同时对模拟结果进行验证研究，模拟和实验得到在8.3 km/s 速度撞击下，Whipple 结构后墙的损伤区域直径分别为30～38 mm 和35 mm，而SRW1 结构后墙均表现为鼓包，无明显剥落现象，如图9 所示。基于此可得出结论，实验验证结果与初步模拟结果具有较高的一致性，这进一步证明了后墙拆分结构防护性能更佳，同时验证了数值模拟方法的准确性，可通过该数值方法进一步对后墙拆分防护结构的性能进行模拟研究。

图5 3 种防护结构实物照片Fig. 5 Photos for three kinds of shield structures

图6 Whipple 结构在直径6.0 mm 的铝球以8.31 km/s 的速度撞击下的损伤情况[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]

图7 SRW1 结构在直径6.0 mm 的铝球以8.25 km/s 的速度撞击下的损伤情况[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]

图8 SRW2 结构在直径6.0 mm 的铝球以8.41 km/s 的速度撞击下的损伤情况[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 实验中3 种防护结构损伤情况Table 2 The damage of three kinds of shields in tests

图9 两种结构后墙损伤情况的实验与模拟结果对比Fig. 9 Comparison of the damage of the rear Walls in two kinds of shield between experiment and simulation

通过拆分后墙能够提升结构防护性能的主要原因，可能在于后墙拆分后，组成后墙的两层铝板之间存在分离界面，界面将导致碎片撞击后墙产生的冲击波在界面位置出现反射效应（这点可从图5(b)和图5(c)中组成后墙的两层铝板在实验后出现明显分离界面看出），反射效应的出现将在一定程度上造成冲击波能量的衰减，从而降低了后墙的损伤。

此外，值得一提的是，针对后墙由两层铝板组成的拆分结构，在碎片撞击后墙过程中，由于第2 层铝板对第1 层铝板的保护作用，第1 层铝板的损伤程度较低。因此，在以防护结构后墙穿孔为失效判据的一些特殊场合，这种后墙拆分结构将具有更高的应用价值。

4 结 束 语

利用超高速撞击实验和数值模拟，对比研究了后墙拆分结构的防护性能。研究结果表明，通过拆分防护结构后墙、在后墙中形成分离界面的方式，能够在不改变结构尺寸、质量的基础上实现对结构防护性能的有效提升，且随着撞击速度的增高，这种提升效果有增大的趋势。

后墙拆分结构相较传统Whipple 防护结构具有更优的防护性能，初步分析原因在于：拆分结构相较完整铝板，其内部增添了新的自由界面，而碎片云撞击后墙产生的冲击波在后墙内传播，完整铝板内冲击波经背面反射产生的拉伸稀疏波和冲击波的共同作用将导致背部出现层裂甚至剥落，而拆分结构内部新的自由面将对冲击波进行反射，进而消耗冲击波的能量，最终导致传递到第2 层板的冲击波强度减小，使得拆分结构背部破坏程度降低。当弹丸以较低速度撞击防护结构时，缓冲屏对弹丸破碎程度较低，碎片云头部仍有较大块碎片，对后墙的损伤模式主要表现为侵彻损伤。随着撞击速度的增高，弹丸撞击缓冲屏后的破碎程度增大，碎片云中都是尺寸较细小的碎片，碎片撞击后墙引起的主要损伤模式将由侵彻损伤变为冲击损伤，冲击波的传播将是后墙破坏的最主要原因，而分离界面的存在能够衰减冲击能量在后墙中的传播，这也导致了在更高的撞击速度下，后墙拆分结构防护性能更佳。

为了更加全面地评估这种后墙拆分结构的防护性能，后续还将进行更多状态的实验和计算，以获得这种拆分结构的弹道极限曲线。