王 猛, 馮敏慧, 唐恩凌, 韓雅菲, 劉淑華(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院,沈陽 100159)

隨著深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展及人類航天活動(dòng)的日益頻繁，空間碎片的數(shù)量明顯增加，碎片空間環(huán)境日趨惡化，對(duì)在軌航天器的安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。空間碎片的超高速撞擊是在軌航天器發(fā)生機(jī)械損傷或損毀的主要原因之一，針對(duì)航天器部件、防護(hù)材料及結(jié)構(gòu)的超高速撞擊試驗(yàn)成為國際空間碎片防護(hù)領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容[1-4]?？臻g碎片環(huán)境模型是評(píng)估航天器撞擊風(fēng)險(xiǎn)和防護(hù)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，碎片云團(tuán)的質(zhì)量、形狀尺寸及速度分布等是與撞擊損傷特性密切相關(guān)的重要參數(shù)。高速碎片撞擊航天器表面或Whipple防護(hù)緩沖板時(shí)將產(chǎn)生更多的濺射二次微小碎片，這些微小碎片對(duì)航天器部件的撞擊及累計(jì)效應(yīng)給航天器安全運(yùn)行和使用壽命帶來新的風(fēng)險(xiǎn)和威脅。因此，研究濺射碎片的分布規(guī)律，分析濺射碎片云的產(chǎn)生機(jī)制，對(duì)完善空間碎片模型、優(yōu)化航天器空間防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和減緩空間碎片的增長(zhǎng)有重要意義。

國際空間機(jī)構(gòu)提出了多個(gè)濺射碎片工程模型用來評(píng)估空間微小碎片高速撞擊航天器造成的威脅，如ESA MASTER模型和NASA ORDEM模型，目前正建立和完善國際標(biāo)準(zhǔn)化的ISO11227濺射模型[5]。Schonberg[6]建立了超高速撞擊濺射經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，預(yù)測(cè)空間濺射物的散布和軌跡演化。Nishida 等[7]綜合分析了不同彈丸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)及撞擊速度對(duì)厚鋁板和CFRP碳纖維復(fù)合板超高速撞擊產(chǎn)生二次濺射碎片尺寸分布和散布角度的影響。Rival 等[8]對(duì)撞擊濺射現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得到超高速撞擊時(shí)產(chǎn)生濺射碎片的質(zhì)量、尺寸和速度的分布曲線。國內(nèi)關(guān)于超高速撞擊產(chǎn)生濺射物及其特性研究也取得了部分成果，如鄭偉等[9]通過實(shí)驗(yàn)與仿真初步建立了球形彈超高速正撞擊5A06鋁合金厚板濺射物模型，菊芳菲[10]建立了濺射物軌道演化仿真模型，進(jìn)行濺射物軌道演化規(guī)律研究。然而，目前國內(nèi)對(duì)超高速撞擊濺射物的研究仍處于起步階段，對(duì)濺射物形態(tài)特性及建立合理的濺射碎片模型仍缺乏必要的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

利用二級(jí)輕氣炮驅(qū)動(dòng)鋁彈丸超高速正撞擊鋁合金薄板，以模擬微流星體或空間碎片撞擊航天器防護(hù)結(jié)構(gòu)緩沖板。本文主要考察鋁球彈丸正撞擊產(chǎn)生的濺射物形態(tài)及其分布特性，并采用HSFC-PRO超高速相機(jī)捕捉到撞擊初始階段濺射物云團(tuán)的演化圖像。還討論了非球形彈丸不同速度正撞擊產(chǎn)生的濺射物分布狀態(tài)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

超高速撞擊實(shí)驗(yàn)采用二級(jí)輕氣炮強(qiáng)沖擊加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，二級(jí)輕氣炮口徑?5 mm，加載速度范圍為0.5～7 km/s。分別發(fā)射2A12鋁合金球形、錐頭柱形和圓柱形彈丸，直徑均為4.6 mm。模擬Whipple緩沖板為2A12-T4鋁合金薄板，截面尺寸為200 mm×200 mm，厚度為1 mm。彈丸超高速撞擊薄板將產(chǎn)生反向?yàn)R射物和靶后正向碎片云，分別設(shè)置前驗(yàn)證板和后驗(yàn)證板用來考察碎片云的分布，其中前驗(yàn)證板為1 mm厚PP樹脂塑料板，尺寸為200 mm×200 mm；后驗(yàn)證板為20 mm厚5A06鋁合金板，尺寸為100 mm×100 mm。前驗(yàn)證板中心開圓孔以使彈丸通過，考慮彈丸彈道軌跡的偏差，開孔直徑設(shè)為25 mm。本次實(shí)驗(yàn)只考慮彈丸正撞擊產(chǎn)生濺射碎片情況，撞擊靶板與前驗(yàn)證板和后驗(yàn)證板距離均為50 mm，圖1為超高速撞擊的實(shí)驗(yàn)布置，其中靶板均采用螺栓固定在靶架上。利用HSFC-PRO超高速相機(jī)捕捉彈丸撞擊靶板產(chǎn)生的碎片云分布影像。實(shí)驗(yàn)時(shí)靶艙內(nèi)為抽真空狀態(tài)，采用電磁感應(yīng)測(cè)速系統(tǒng)測(cè)量二級(jí)輕氣炮驅(qū)動(dòng)彈丸的飛行速度。

圖1 彈丸撞擊靶板實(shí)驗(yàn)布置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

超高速碰撞產(chǎn)生的撞擊壓力可根據(jù)彈、靶材料的Hugoniot關(guān)系計(jì)算，通?？蛇_(dá)幾十吉帕，遠(yuǎn)超過材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，撞擊界面處材料發(fā)生塑性大變形流動(dòng)、破碎、熔化及相變[11]?？臻g碎片彈丸超高速撞擊航天器緩沖板發(fā)生典型的局部穿孔破壞模式，靶板上彈孔唇邊材料在強(qiáng)沖擊壓縮波的作用下發(fā)生氣化、熔化和粉碎性破壞，受表面稀疏波的作用而產(chǎn)生反向飛濺，形成濺射物。濺射物的形態(tài)分布是理解濺射碎片物理模型的重要參數(shù)。

2.1 球形彈丸超高速正撞擊產(chǎn)生濺射物

2.1.1 濺射物形態(tài)及分布

圖2、圖3分別為球形彈丸以4.10 km/s和3.11 km/s速度正撞擊鋁合金薄板產(chǎn)生的正面穿孔和前驗(yàn)證板上留下的濺射物撞擊坑?？梢钥吹剑X合金薄板上的穿孔近似圓孔，周圍殘留有高溫灼燒后的痕跡。濺射物在前驗(yàn)證版上分布較為集中，近似呈環(huán)狀分布，稱這種分布為濺射環(huán)。若分別以Rin、Rex近似為濺射環(huán)的內(nèi)徑和外徑，則超高速撞擊產(chǎn)生的濺射碎片粒子主要分布在這個(gè)濺射環(huán)區(qū)域內(nèi)。圖4所示為圖2(b)中濺射物在前驗(yàn)證板上產(chǎn)生撞擊坑的局部放大照片，根據(jù)圖中濺射環(huán)內(nèi)的濺射物撞擊坑分布可知，濺射物表現(xiàn)為不連續(xù)分布的濺射團(tuán)簇群，每個(gè)濺射團(tuán)簇中的濺射撞擊坑沿外環(huán)徑向呈放射狀分布。對(duì)比圖2(b)和圖3(b)可以得到，彈丸撞擊速度越高，濺射團(tuán)簇分布越密集。

(a) 正面穿孔

(b) 濺射物撞擊坑

為進(jìn)一步分析濺射物的物質(zhì)形態(tài)及分布，對(duì)圖4中的濺射物撞擊坑進(jìn)行光學(xué)放大顯微觀測(cè)，得到部分典型濺射物撞擊坑的光學(xué)照片如圖5所示。其中圖5(a)和圖5(b)為濺射環(huán)外放射狀分布的兩類撞擊坑形貌，圖5(c)和圖5(d)為濺射環(huán)內(nèi)分布的撞擊坑形貌?？梢钥吹剑煌臑R射物物質(zhì)形態(tài)在前驗(yàn)證板上的撞擊坑形貌和分布差異明顯。圖5(a)表現(xiàn)為濺射微熔滴在PP板上產(chǎn)生的撞擊坑，坑深較淺、作用區(qū)域分散，明顯可以看到撞擊區(qū)域樹脂材料的高溫塑化現(xiàn)象。圖5(b)所示對(duì)應(yīng)為高溫碎片粒子在PP樹脂板上形成的撞擊坑；由于碎片撞擊方位的關(guān)系，形成了較深而細(xì)長(zhǎng)的撞擊坑，坑口處也顯示出PP樹脂材料經(jīng)歷過熱塑化的痕跡。圖5(c)和圖5(d)為濺射環(huán)內(nèi)的撞擊坑，分布較為密集且形貌不規(guī)則，周邊散布著大量金屬粉塵。這些撞擊坑的坑口處也表現(xiàn)出一定的熱塑化現(xiàn)象，顯示出該處的濺射碎片仍具有較高的溫度。另外，大部分撞擊坑并非貫穿孔，表明該處分布的多數(shù)濺射碎片粒子速度較低或動(dòng)能并不足以穿透1 mm厚的PP樹脂板。

(a) 正面穿孔

(b) 濺射物撞擊坑

圖4 濺射物撞擊坑的局部放大

(a)

(b)

(c)

(d)

2.1.2 濺射物云團(tuán)簇的濺射角

超高速正撞擊鋁合金薄板緩沖板產(chǎn)生的濺射物碎片粒子在前驗(yàn)證板上主要是以濺射云團(tuán)簇的形式呈環(huán)狀分布，其對(duì)應(yīng)的時(shí)空分布應(yīng)是環(huán)錐形狀。如圖6所示為濺射物空間環(huán)錐的剖面示意圖，濺射云團(tuán)簇在靶板正面穿孔邊緣處產(chǎn)生，在濺射過程中沿徑向不斷膨脹，形成濺射云環(huán)錐。若如圖中所示布置，以靶板撞擊穿孔的邊緣設(shè)為起始位置，濺射云團(tuán)散飛方向與初始水平彈道方向的夾角φin,ex分別定義為濺射云環(huán)的內(nèi)環(huán)和外環(huán)濺射角，其表達(dá)式為

(1)

式中:Rin,ex分別為前驗(yàn)證板中濺射云環(huán)的內(nèi)徑和外徑;Dh為靶板穿孔直徑;l為驗(yàn)證板距離靶板長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)得到彈丸以不同速度撞擊2A12鋁合金薄板時(shí)的正面穿孔形態(tài)尺寸、前驗(yàn)證板上的濺射環(huán)分布及濺射角如表1所示。靶板穿孔尺寸采用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量其最大和最小直徑。可以得到，球形彈丸的穿孔近似圓形，本文撞擊速度范圍內(nèi)，鋁球撞擊速度越大，濺射角減小，濺射物云分布也更密集。需要說明的是，由于濺射物云呈放射狀分布，對(duì)濺射環(huán)的定義為僅包括主要的濺射物云團(tuán)簇。對(duì)于非球彈丸的撞擊，穿孔形態(tài)明顯呈橢圓狀，表明其撞擊姿態(tài)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，并造成了濺射物云團(tuán)簇分布的不均勻性。因此，非球彈丸撞擊產(chǎn)生濺射物云團(tuán)簇的濺射角分布也更加復(fù)雜，難以用濺射云環(huán)錐進(jìn)行簡(jiǎn)單描述。

圖6 超高速撞擊產(chǎn)生濺射環(huán)錐示意圖

2.1.3 濺射物云的超高速影像照片

超高速撞擊產(chǎn)生濺射物的另外一個(gè)重要特征是濺射物的速度。根據(jù)濺射物在前驗(yàn)證板上的撞擊坑分布形態(tài)可知，濺射物主要包括微熔滴及高溫微粒子等閃光熱源、金屬粉塵和低速碎片粒子。濺射物呈云團(tuán)簇狀分布，粒子尺寸細(xì)小、或相互重疊，因此目前的測(cè)試手段很難準(zhǔn)確測(cè)量單個(gè)濺射粒子的速度及分布。超高速相機(jī)能夠較為直觀地捕獲高速彈丸或碎片的飛行圖像，是分析評(píng)估超高速撞擊產(chǎn)生碎片云形態(tài)分布和一維膨脹速度的常用技術(shù)手段。

表1 鋁彈丸的超高速撞擊濺射實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7為利用HSFC-PRO超高速相機(jī)捕獲鋁球彈丸以4.1 km/s速度撞擊鋁合金薄板產(chǎn)生濺射物的過程圖像。HSFC-PRO超高速相機(jī)采用四相增強(qiáng)CCD相機(jī)模塊，同時(shí)觸發(fā)背景光源和相機(jī)，雙重曝光模式下能夠獲得8張滿幅1 280×1 024分辨率影像。根據(jù)外觸發(fā)距離撞擊點(diǎn)位置和撞擊速度設(shè)定相機(jī)延遲時(shí)間，相機(jī)曝光時(shí)間為40 ns。圖7中的幅影像照片時(shí)間間隔(a)和(b)為4 μs，其后間隔均為3 μs，以描述撞擊產(chǎn)生的碎片云和濺射物在不同時(shí)刻的輪廓分布。圖7(a)為第一幅影像，設(shè)其為基準(zhǔn)參考時(shí)間t=0時(shí)刻。圖7(b)可以看到，撞擊在鋁靶正面產(chǎn)生了強(qiáng)烈的閃光輻射，這是由于撞擊瞬間彈、靶接觸區(qū)域發(fā)生了劇烈的塑性變形和急劇溫升，材料發(fā)生破碎、熔化、氣化及產(chǎn)生等離子體。熔化的液滴在濺射過程中拉斷霧化，和高溫微粒子一起構(gòu)成閃光熱源。由于背景光源的設(shè)置問題，彈丸穿孔后的碎片云圖像顯示較暗。圖7(c)～(e)中可以看到，隨著濺射云團(tuán)的反向膨脹，閃光熱源溫度迅速降低，閃光強(qiáng)度減弱。圖7(f)中可以看到穿孔后的碎片粒子撞擊到后驗(yàn)證板上產(chǎn)生了二次撞擊閃光，此時(shí)才可以清晰看到濺射云團(tuán)簇的輪廓和穿孔后碎片云的囊狀分布。圖7(g)可以看到濺射物云團(tuán)簇的不斷擴(kuò)散和靶后碎片二次撞擊閃光強(qiáng)度的增加。圖7(h)中，隨著濺射物云團(tuán)簇的持續(xù)膨脹，其分布輪廓也更加分散。

(a) t=0

(b) t=4 μs

(c) t=7 μs

(d) t=10 μs

(e) t=13 μs

(f) t=16 μs

(g) t=19 μs

(h) t=22 μs

結(jié)合濺射物云的超高速影像演化照片和前驗(yàn)證板上濺射物形態(tài)特性可以推知，鋁球超高速正撞擊鋁合金薄板產(chǎn)生的濺射物主要包括兩部分:①是速度較高的高溫微粒子或甚至是微小熔滴，構(gòu)成閃光的主要熱源；②是由金屬粉塵以及低速碎片粒子構(gòu)成的濺射云團(tuán)簇。

根據(jù)超高速撞擊鋁合金薄板產(chǎn)生的濺射閃光熱源和濺射云團(tuán)簇在不同時(shí)刻位置的影像照片，分別可以估算得到濺射閃光熱源和濺射云團(tuán)簇的最大一維膨脹速度。Mihaly等[12]利用超高速相機(jī)照片估算得到尼龍彈丸超高速撞擊鋁合金薄板產(chǎn)生濺射云和靶后碎片云的最大膨脹速度。超高速撞擊過程中，薄靶板僅發(fā)生瞬間局部穿孔，平面位置幾乎不動(dòng)，圖8所示的影像照片中得到不同時(shí)刻濺射閃光熱源和濺射云團(tuán)簇輪廓的擴(kuò)散距離與撞擊面的相對(duì)幾何位置關(guān)系。若以Z方向?yàn)橐痪S濺射方向，由圖8(b)～(e)分別得到濺射閃光熱源的一維膨脹距離為Z1、Z2、Z3、Z4，利用最小二乘法擬合估算得到濺射閃光熱源的一維最大膨脹速度。圖9為利用超高速相機(jī)影像照片測(cè)量濺射閃光熱源的相對(duì)膨脹距離Z1、Z4的示意圖。圖10為擬合得到濺射閃光熱源的一維膨脹速度，圖中斜率即濺射閃光熱源的最大估算速度，約為3.47 km/s。假設(shè)超高速撞擊產(chǎn)生濺射閃光熱源的最大一維膨脹速度恒定，時(shí)間向前反推即可得到彈丸剛好撞擊到靶板的時(shí)間，約為基準(zhǔn)參考時(shí)間后的t=1 μs時(shí)刻。

(a) t=4 μs

(b) t=13 μs

Fig.8 Measurement example of the expansion distance for the ejected flash heat source

圖9 擬合得到濺射閃光熱源的最大一維膨脹速度

Fig.9 Maximum one-dimensional expansion velocity of the ejected flash heat source based on curve estimation

用同樣的測(cè)量方法可估算得到濺射云團(tuán)簇的最大一維膨脹速度。根據(jù)上文的超高速影像照片分析表明，直到t=16 μs時(shí)刻，隨著濺射閃光熱源溫度的降低，才可以清楚地觀測(cè)到濺射云團(tuán)簇的分布輪廓。受拍攝照片數(shù)量限制，近似地認(rèn)為圖7(g)中t=19 μs時(shí)刻的影像照片能夠較充分地顯示濺射云團(tuán)簇的反向膨脹。如圖11所示，分別測(cè)量t=16 μs和t=19 μs時(shí)刻影像照片中濺射云團(tuán)簇的擴(kuò)散距離，即可估算得到濺射云團(tuán)簇的最大一維膨脹擴(kuò)散速度約為2.75 km/s。另外，根據(jù)前文驗(yàn)證板上濺射環(huán)內(nèi)撞擊坑的形態(tài)可知，大多數(shù)碎片粒子的速度或動(dòng)能較低并不能穿透1 mm厚的PP板。因此，估算得到的濺射云團(tuán)簇的速度應(yīng)該是金屬粉塵的膨脹速度，對(duì)于速度較低的濺射微碎片粒子，本文超高速影像照片并未能捕獲到其具體分布。

(a) t=16 μs

(b) t=19 μs

Fig.10 Measurement example of the expansion distance for the ejected cloud clusters

圖11 擬合得到濺射云團(tuán)簇的最大一維膨脹速度

Fig.11 Maximum one-dimensional expansion velocity of the ejected cloud clusters by curve estimation

2.2 非球形彈丸超高速正撞擊產(chǎn)生濺射物

分別采用圓柱和錐頭柱彈進(jìn)行超高速正撞擊實(shí)驗(yàn)，考察非球形彈丸正撞擊鋁合金薄板產(chǎn)生的濺射物分布狀態(tài)。彈丸的撞擊速度和穿孔尺寸如表1所示。圖12為錐形彈和柱形彈正撞擊靶板產(chǎn)生的濺射物云分布照片；與球形彈相比，其產(chǎn)生的濺射物云分布明顯不均勻。本文實(shí)驗(yàn)中，非球彈丸的正撞擊穿孔均呈橢圓化特征，進(jìn)一步表明其著靶姿態(tài)發(fā)生了一定程度的偏轉(zhuǎn)，并因此造成了濺射物團(tuán)簇的非均勻性分布。圖13、圖14分別為圓柱彈和錐頭柱彈以不同速度撞擊產(chǎn)生濺射物團(tuán)簇在前驗(yàn)證板上留下的撞擊坑分布狀態(tài)。盡管濺射物團(tuán)簇的分布不均勻，但仍可以得出，撞擊速度越高，濺射物分布越密集；柱形彈撞擊產(chǎn)生的濺射物團(tuán)簇分布可能對(duì)著靶姿態(tài)偏轉(zhuǎn)更敏感。

(a) 錐柱彈撞擊速度3.88 km/s

(b) 柱形彈撞擊速度4.25 km/s

(a) 撞擊速度2.67 km/s

(b) 撞擊速度3.34 km/s

(c) 撞擊速度4.25 km/s

(a) 撞擊速度3.16 km/s

(b) 撞擊速度3.31 km/s

(c) 撞擊速度3.88 km/s

3 結(jié) 論

微流星體、空間碎片對(duì)航天器表面或Whipple緩沖板的超高速撞擊將產(chǎn)生濺射物云，研究濺射物的形成機(jī)制及形態(tài)分布，對(duì)完善空間碎片模型、優(yōu)化航天器空間防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要意義。本文通過實(shí)驗(yàn)得到了鋁彈丸超高速正撞擊鋁合金薄板產(chǎn)生濺射物的形態(tài)及分布特性如下：

(1) 鋁球彈丸超高速正撞擊鋁合金薄板產(chǎn)生的反向?yàn)R射物在形態(tài)上主要包括兩部分，首先是速度較高的高溫微粒子或甚至是微小熔滴，構(gòu)成撞擊閃光的主要熱源；其后是由金屬粉塵以及低速碎片粒子構(gòu)成的濺射云團(tuán)簇。

(2) 球彈丸超高速正撞擊產(chǎn)生的濺射物云團(tuán)簇在空間上呈環(huán)錐狀分布，本文3～5 km/s速度范圍內(nèi)，撞擊速度越高，濺射物團(tuán)簇分布越密集，濺射角也越小，濺射團(tuán)簇群分布更均勻。非球彈丸撞擊時(shí)的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)對(duì)濺射物云團(tuán)簇的分布形態(tài)有較大影響。

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