球形气囊的超高速撞击损伤特性试验与仿真研究

刘 海，胡振鑫，孙琼阁，兰胜威，李 毅，马兆侠，宋 强

（1. 中国空气动力研究与发展中心 超高速碰撞研究中心，绵阳 621000；2. 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094；3. 中国航天科工集团有限公司 空间工程总体部，北京 100854）

0 引言

空间充气展开结构是由柔性薄膜材料制成的新型空间结构，具有多功能、轻质、低成本的特点，已应用于气球卫星、充气天线通信系统、柔性防护系统等。1990 年，我国首次发射了专用于探测高层大气密度的气球卫星。为在轨检测微小空间碎片，中国科学院等单位于2017 年提出一种结构简单、探测面积大、成本低的充气展开式哑铃形气球卫星设计方案，通过在气球表面布置压电薄膜对微小空间碎片撞击事件进行识别。2019 年，“北理工1 号”卫星（BP-1B）发射升空并成功进入预定轨道，其中由柔性材料制成的帆球以折叠方式存放于卫星舱内，待卫星正常入轨后释放展开膨胀成球状；展开的帆球可作为卫星太阳电池板或卫星通信的大型天线。可以预见，低成本、可自主展开的气球卫星将是未来卫星技术的应用方向之一。

考虑寿命末期主动离轨来减缓空间碎片增长而运行于低地球轨道的气球卫星，面临着空间碎片撞击的风险。当前直接针对气球卫星的空间碎片撞击特性评估的工作鲜有报道，相关研究主要关注空间充气展开结构所采用的柔性薄膜材料的寿命。为考查空间碎片撞击对聚酰亚胺和镀铝涂层复合热塑薄膜寿命的影响，Auburn 大学试验研究了直径40～100 μm 浮法玻璃球以5～12 km/s 超高速撞击该热塑薄膜的破坏尺寸，并对比了高温（420 K）、低温（40 K）环境下薄膜破坏特征的差异性。国防科技大学的陈华对聚酰亚胺材料的力学、化学特性及其超高速撞击效应开展较为深入的研究，通过二级轻气炮试验得到了聚酰亚胺的Hugoniot 参数，建立了压力、温度相关的热分解动力学模型，并分析了化学反应对超高速撞击效应的影响。

为满足气球卫星的生存力分析以及在轨被撞击产生空间碎片的评估需求，本文在对空间碎片和气球卫星进行结构简化的基础上，开展球形气囊超高速撞击试验与仿真研究，获得不同材质气囊的撞击损伤特性，并初步揭示弹丸贯穿球形气囊过程中的破坏细节以及碎片云团特性，旨在为空间碎片撞击气球卫星的碎片化特征分析提供支撑。

1 试验状态与测试系统

1.1 试验状态

采用中国空气动力研究与发展中心超高速碰撞研究中心30 mm 口径二级轻气炮开展地面撞击试验。如图1 所示，二级轻气炮的发射器系统利用火药燃烧驱动活塞压缩充在压缩管内的氢气，利用高压氢气推动弹丸超高速发射，并撞击预先布置于靶室内的球形气囊。

图1 二级轻气炮撞击试验系统Fig. 1 The impact test system with two-stage light gas gun

考虑气球卫星运行的轨道空间碎片环境，选取cm 级柱体和壳体2 种构型弹丸表征典型空间碎片。柱体弹丸直径30.8 mm、高35 mm，由尼龙弹托和铝棒组成：弹托直径30.8 mm、高25 mm，开有深15 mm 的凹槽；铝棒直径16 mm、长25 mm，插入整体弹托凹槽中，并通过螺纹和环氧胶与弹托连接。壳体弹丸直径30.8 mm、高33 mm，内部为2 mm 厚的铝合金壳体，外部包裹尼龙材质外套（高30 mm，单边最大厚度2.4 mm），二者通过环氧胶连接。2 种构型弹丸的质量均为30 g 左右。

碰撞试验的靶材为9 个由薄壁复合材料球瓣拼接构成的球形气囊，其中1#～8#气囊直径1.0 m，9#气囊直径0.3 m，气囊壁厚为μm 级。弹丸撞击气囊的速度约4.5 km/s，撞击角度0°。气囊上设有自封闭阀门，试验前向气囊内充入指定压力的气体，悬挂于靶室内，并调节至适当高度。试验中靶室抽至近真空以模拟气球卫星的工作环境。具体的碰撞试验工况参见表1，其中工况编号与气囊编号对应。

表1 碰撞试验工况Table 1 The impact test conditions

1.2 测试系统

测试系统包括测速与控制系统以及序列激光阴影成像仪。测速系统用来测量弹丸撞击靶材前的飞行速度，其原理是利用弹丸飞越测试区域时对激光束的遮挡效应来记录弹丸到达各测试站的时间，并根据各测试站之间的距离计算出弹丸的飞行速度。序列激光阴影成像仪由高精度时序控制器、脉冲激光器、多光源空间分离装置和光学成像端等组成，用于高速瞬态过程的测量。其原理是通过实时速度测量确定恰当的延时，当弹丸进入到阴影成像仪测试视场内时触发激光光源出光，获得某特定时刻的序列激光阴影照片。

2 试验结果分析

图2 展示的是9 个工况下气囊前/后壁面的穿孔破坏形貌，其中，为直观展示撞击后的损伤情况，在部分气囊（1#、4#、5#、6#、8#、9#）内置完整气囊并充气膨胀。可以看到：对于前孔，1#～4#以及7#～9#气囊的孔洞形状为圆形和近似矩形；5#和6#气囊的穿孔尺寸相对较大，且周围伴有明显撕裂口形貌。相对于前孔，后孔尺寸较大，边缘不规则，穿孔周围分布有很多微小孔洞以及明显的撕裂带；部分孔洞周围明显可见由高温引发的卷曲和灼烧现象。

图2 不同工况下气囊前/后壁面的穿孔破坏形貌Fig. 2 Perforation failure morphologies of the front and rear walls of the balloons under different impact conditions

对气囊前/后穿孔尺寸和破坏特征进行测量分析形成表2。1#、2#和4#气囊的撞击前孔为圆形，且尺寸近似等于弹丸直径。后孔的形貌均非圆形，其中，3#破洞尺寸较小，为椭圆形，尺寸约为3 cm×4 cm；4#～7#和9#破洞尺寸相对较大，且部分孔洞周边伴有高温卷曲和灼烧现象。

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

结合图2 和表2 发现，前/后孔尺寸综合较大的为5#和6#气囊。其主要原因是5#和6#气囊的材质有别于其他气囊，强度较弱；而试验过程中靶室内部非完全真空，弹丸飞行过程中头部产生弓形脱体激波，使气囊前表面在激波作用下产生明显破坏，后壁面的破坏亦相对明显。

试验过程中采用序列激光阴影成像仪拍摄了弹丸穿出气囊后表面形成的碎片云，部分结果如图3 所示。可以看到，撞击产生的碎片云团无固定形貌、碎片颗粒尺寸较小，且弹丸被云团包裹无法辨识其整体形貌。对比观察工况2（柱体弹丸）和工况3（壳体弹丸）发现，前者的碎片云尾部轮廓清晰，形貌完整；后者的碎片云头部钝粗变形，尾部形貌基本完整。

图3 弹丸穿出气囊后表面形成的碎片云图像Fig. 3 Images of debris cloud formed by projectiles passing through the rear surface of the balloons under different impact conditions

利用序列图像进一步开展碎片云头部膨胀速度分析，结果见表3。

表3 弹丸穿过气囊后表面所形成碎片云的头部膨胀速度Table 3 Head expansion rate of debris cloud formed by projectiles passing through the rear surface of the balloons under different impact conditions

具体分析方法为：试验前在弹道方向上固定标定物用于标定分幅成像的每个图像的相对位置，而成像靶面的位置是固定的，因此可将试验获得的图像与带有螺丝的图像进行重合，从而获得每个序列图像中碎片云或模型的相对位置；再根据固定的间隔时间下被测物在照片上的位置变化，获得投影方向上被测物飞行的速度。取前3 次序列激光阴影系统拍摄的图像开展分析，通过碎片云头部的移动距离以及每2 张图像的拍摄时间间隔计算得到碎片云头部的膨胀速度。需要说明的是，由于气囊材料有别于金属，各气囊在超高速撞击下所产生的碎片云形貌差异较大，且碎片云头部的运动缺乏规律性，导致各工况下2 次计算得到的碎片云膨胀速度均存在一定差异；但根据碎片云头部膨胀平均速度推测，云团头部初期膨胀速度大于弹丸出射速度（弹丸出射速度通过数值模拟得到）。

3 数值模拟分析

3.1 模型与材料参数

为揭示撞击过程中弹靶破坏细节以及碎片尺寸和数量特性，采用显式动力学有限元程序AUTODYN，针对典型试验状态开展仿真分析。考虑工况2（=4.520 km/s）和工况3（=4.585 km/s）试验中，穿出气囊后弹丸尾部图像部分可见，且囊括了弹丸的2 种构型，遂选取这2 个试验状态开展数值模拟。柱体弹丸按照工况2 开展撞击整体气囊和对称气囊模拟各1 次。对称气囊数值模型由2 个半球构成，弹丸沿接缝面撞击气囊，用于分析接缝处的材料破坏特征。壳体弹丸按照工况3 开展撞击整体气囊模拟1 次。试验过程中气囊内压力较低，所引起的强度变化比材料本身的强度小得多，因此数值模拟中不考虑气体压力对气囊前/后穿孔尺寸的影响。

弹丸和气囊模型如图4 所示，结构尺寸、材料与试验状态一致。柱体弹丸模型共含有165 840 个SPH 粒子，其中，铝棒包含40 600 个SPH 粒子，尼龙弹丸包含125 240 个SPH 粒子。壳体弹丸模型共含有126 748 个SPH 粒子，其中，铝合金壳体包含47 876 个SPH 粒子，尼龙弹托包含78 872 个SPH粒子。弹丸模型采用Al2024T351 和Nylon 材料参数。气囊模型采用壳单元建模，厚度与气囊材料一致，共计143 208 个单元，气囊材料参数如表4 所示。本文采用地面环境条件下的材料模型近似代表真实使用环境中的材料参数。

图4 弹丸模型和柱体弹丸撞击气囊初始状态Fig. 4 Projectile model and the initial state of the impact of a cylindrical projectile on the balloon

表4 气囊材料参数Table 4 Material parameters of the balloon

3.2 弹靶撞击破坏特征

柱体弹丸超高速撞击整体气囊的过程主要分为3 个阶段（参见图5）：

图5 柱体弹丸超高速撞击整体气囊的序列图像以及前/后壁面破坏形貌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）弹丸撞击气囊前表面产生冲塞与破碎。柱体弹丸铝头撞击气囊前表面冲塞形成近圆形薄片，并且在铝棒与尼龙弹托连接的台阶处形成环形冲塞薄片。此时，铝棒发生微小变形并出现部分碎裂，尼龙弹托台阶处出现墩粗现象并形成碎片。

2）弹丸于气囊内飞行过程中碎裂加剧。冲塞形成的薄片飞行速度较快，逐渐与弹丸分离并首先到达气囊后表面且与之相互作用形成圆形孔洞。弹丸在气囊内飞行过程中，尼龙弹托逐渐发生碎裂和剥落，形成大量的碎片，并随后到达气囊后表面。

3）碎裂化弹丸撞击气囊后表面形成大量碎片。弹丸前端铝棒从后孔中首先穿出，铝棒破坏程度相对较小，而尼龙弹托撞击后表面后碎裂化程度加剧。碎裂化弹丸撞击气囊后表面形成大量碎片，并且弹丸被包裹在碎片云之中，与序列激光阴影成像仪拍摄结果基本一致。

柱体弹丸超高速撞击对称气囊过程中，弹丸破坏特征与撞击整体气囊时相似。模拟结果显示柱体弹丸撞击整体和对称气囊后的出射速度均为4.44 km/s。

图6 展示了壳体弹丸撞击气囊的模拟序列图像。可以看到，壳体弹丸撞击气囊过程与柱体弹丸整体相似，但略有不同。

图6 壳体弹丸超高速撞击整体气囊序列图像以及前/后壁面破坏形貌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

主要体现在：

1）弹丸撞击气囊前壁面形成的气囊薄片凹陷至铝合金腔体内，导致弹丸底部略有钝粗；

2）尼龙弹托台阶处破坏程度相对较小，撞击后壁面形成相对较小的贯穿孔尺寸。模拟结果显示壳体弹丸撞击气囊后的出射速度为4.51 km/s。

图7 展示了气囊前/后壁面破坏形貌的模拟结果。可以看到：

1）柱体弹丸撞击整体气囊的前孔呈圆形，直径约3.2 cm；后孔呈近似菱形，尺寸5.2 cm×7.4 cm。后壁面破坏特征除撞击穿孔，还有碎片粒子撞击形成的小孔洞和鼓包变形，以及卷曲外翻等，见图7(a)。

2）壳体弹丸撞击整体气囊的前孔呈圆形，直径约3.2 cm；气囊后壁面主贯穿孔呈近似圆形，直径约5.4 cm，孔洞周围出现卷曲、外翻等现象，并密布有辐射状小尺寸孔洞，见图7(b)。对比可见，气囊前/后孔尺寸以及破坏特征的数值模拟结果与试验结果基本一致。气囊后壁面的微孔洞是由弹丸撞击气囊前壁面时产生的微小碎片撞击所致。

3）相比于整体气囊，柱体弹丸撞击对称气囊前壁面的撞击孔呈圆形，直径约3.4 cm，孔上下有微小撕裂口；后孔直径9.1 cm，稍大于整体气囊的后孔直径，孔上下形成较大撕裂口，单边长度34.2 cm，见图7(c)。

图7 弹丸超高速撞击气囊的前/后壁面破坏形貌Fig. 7 The failure morphology of the front and rear walls by hypervelocity impacting of the projectile

3.3 弹丸穿出气囊后碎片质量和特征长度分布特征

对数值模拟结果进一步分析，获得穿出气囊后弹丸产生碎片的质量和特征长度分布（由于气囊采用壳体单元建模，其产生的碎片无法统计），如图8所示。其中，轴为碎片编号，、轴分别为碎片质量和特征长度。对比得出，柱体弹丸穿出整体气囊和对称气囊模型后产生碎片的数量、质量和特征长度相似，质量大于10 mg 的碎片共计约50 个，最大碎片的质量约为1400 mg、特征长度为40 mm。壳体弹丸撞击整体气囊模型产生碎片的数量与柱体弹丸的相近，但碎片质量整体上明显小于柱体弹丸的。

图8 穿出气囊后弹丸产生碎片的质量和特征长度分布Fig. 8 Fragment mass and characteristic length distributions of the projectile after penetrating the balloon

4 结论

通过地面试验获得柱体和壳体弹丸超高速撞击球形气囊的损伤破坏特性，并选取典型撞击状态进行数值仿真，揭示了弹丸贯穿球形气囊过程中材料和结构破坏细节，同时结合地面试验和数值仿真获得弹丸穿出气囊后的碎片云特征，得到结论如下：

1）弹丸超高速撞击球形气囊前/后壁面形成不同穿孔破坏特性。整体上，前孔尺寸小于后孔，部分气囊前孔尺寸近似等于弹丸直径；气囊后壁的破坏特征主要有穿孔、撕裂，以及高温引发的卷曲、灼烧。另外，相比于整体气囊，对称气囊连接处会产生撕裂口，导致其后壁面的破坏程度大于前者，因此需对气囊接缝处进行加强以防止形成撕裂破坏。

2）弹丸超高速撞击气囊的过程主要分为3 个阶段：撞击前壁面时发生变形和破坏；在气囊内飞行过程中弹丸碎裂化程度加剧；撞击后壁面形成相对较大穿孔和大量碎片云。弹丸贯穿气囊后，速度略有衰减。

3）弹丸穿出气囊后产生碎片云团，云团粒子由气囊和弹丸破碎产生，并且云团头部初期膨胀速度大于弹丸出射速度。穿出气囊后，柱体和壳体弹丸产生的碎片数量相近，但前者所产生碎片的质量明显更大。