柯發(fā)偉,黃潔,文雪忠,宋強(qiáng),羅慶,柳森

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動(dòng)力研究所,綿陽(yáng)621000)

1 引言

陶瓷和芳綸纖維布組成的填充層對(duì)超高速碎片云具有破碎攔截作用,纖維破碎形成的碎片不會(huì)毀傷防護(hù)構(gòu)型的后墻,同時(shí)纖維的密度小,因此纖維填充層在航天器上應(yīng)用較為廣泛。常見(jiàn)陶瓷纖維有Nextel、玄武巖、SiC等,常見(jiàn)的芳綸纖維有Kevlar、PBO等。近年來(lái),開(kāi)展了不同陶瓷纖維材料[1-5]、纖維層位置[3,4]、纖維組裝方式[4]等對(duì)防護(hù)性能影響,以及陶瓷纖維和芳綸纖維破碎、攔截碎片云的機(jī)理[4]等研究工作。為了減輕纖維填充層固定、支撐結(jié)構(gòu)的附加重量,還研究了塑料泡沫[4,5]、金屬泡沫[6,7]以及鋁網(wǎng)和鋁蜂窩[8]用于支撐纖維填充層。同時(shí),也提出了一些新概念的防護(hù)結(jié)構(gòu),如填充液體氣體的蜂窩結(jié)構(gòu)[9]、N型防護(hù)結(jié)構(gòu)[10]。

隨著材料技術(shù)的發(fā)展,芳綸-III纖維拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂延伸率等性能均優(yōu)于芳綸-II纖維[11],PBO纖維也具有與芳綸-III纖維相似的性能[12]。玄武巖纖維具有破碎碎片云的優(yōu)良性能、價(jià)格低廉,文中首先通過(guò)超高速撞擊試驗(yàn)研究美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的芳綸-II、國(guó)產(chǎn)的芳綸-II、芳綸-III、PBO纖維布分別與玄武巖纖維作為防護(hù)結(jié)構(gòu)填充層時(shí)的性能差異。陶瓷和芳綸纖維的貼緊程度可提高填充層防護(hù)性能[4],混合編制可提高纖維摩擦性能和磨損阻抗[13,14],為了提高填充層的防護(hù)性能、減少填充層結(jié)構(gòu)的附件重量,文中提出了玄武巖和芳綸-III纖維布混編、多層玄武巖和芳綸-III纖維布交替放置分別用芳綸線縫紉和膠水粘貼,研究進(jìn)一步提高兩種纖維的貼緊程度對(duì)防護(hù)性能的影響。研究結(jié)果對(duì)防護(hù)構(gòu)型中芳綸材料的選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

2 防護(hù)構(gòu)型設(shè)計(jì)

防護(hù)構(gòu)型示意圖如圖1,緩沖屏和后墻均為1mm厚的6061鋁合金,靶材每層板的尺寸為200mm 200mm。彈丸為2A12鋁球。

設(shè)計(jì)了四類(lèi)填充層結(jié)構(gòu):沿碎片云撞擊方向,第一種是多層玄武巖和芳綸纖維布組成;第二種是多層玄武巖和芳綸-III混編纖維布,纖維混編示意圖如圖2;第三種采用芳綸線縫紉的多層纖維布,如圖3所示,芳綸線縫紉沿一個(gè)方向,間距約10mm;第四種是采用膠水粘貼的多層纖維布,如圖4所示。填充層結(jié)構(gòu)中的各種纖維材料參數(shù)見(jiàn)表1,填充層結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。超高速撞擊試驗(yàn)結(jié)果表明,相同面密度的PBO和芳綸-III纖維布抗沖擊性能相當(dāng),航天器在軌運(yùn)行時(shí)空間輻射較強(qiáng),而PBO纖維的抗輻照性能較差,所以選取芳綸-III與玄武巖纖維開(kāi)展不同的復(fù)合方式。纖維布的平整度較差,直接放置的多層纖維布之間貼近程度一致性很難保證,消除該因素防護(hù)性能的影響,在部分靶材的纖維填充層和后墻之間增加了文獻(xiàn) [8]中使用的鋁蜂窩,厚度為200mm,芯格變長(zhǎng)10mm,面密度321.2 g/m2。

圖1 防護(hù)構(gòu)型示意圖Fig.1 Schematic diagram of protective configuration

3 試驗(yàn)方法與設(shè)備

3.1 靶材損傷標(biāo)準(zhǔn)

相同的撞擊參數(shù)下,填充層破碎、攔截碎片云性能好,則防護(hù)構(gòu)型后墻的損傷程度輕,后墻的損傷等級(jí)由重到輕為穿孔、鼓包。后墻都穿孔時(shí),可比較穿孔尺寸,穿孔尺寸相近時(shí)再比較驗(yàn)證板的損傷程度;后墻都為鼓包時(shí),可測(cè)量鼓包的高度。對(duì)于纖維填充層防護(hù)構(gòu)型,在2.6～6.5km/s的速度范圍內(nèi)隨著撞擊速度的提高防護(hù)性能提高[15],這是由于撞擊速度提高后彈丸破碎更充分、碎片云分布在更大的范圍內(nèi)。

圖3 芳綸線縫紉的多層纖維布Fig.3 Aramid thread stitched multilayer fabric

圖4 膠水粘貼的多層纖維布Fig.4 Glue-bonded multilayer fabric

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

防護(hù)結(jié)構(gòu)的超高速撞擊試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 (簡(jiǎn)稱(chēng)氣動(dòng)中心)的超高速碰撞靶 (如圖5)上完成,碰撞靶配置口徑7.6mm發(fā)射器,模型最大發(fā)射速度7.4km/s。彈丸在壓力低于50Pa的靶室內(nèi)飛行器速度變化可忽略,它的平均速通過(guò)光幕測(cè)量獲得,速度測(cè)量的誤差小于0.3%。陰影成像儀獲得撞擊過(guò)程圖像以及試驗(yàn)后靶材后墻的陰影圖[9]。陰影成像具有成像比例一致的特點(diǎn),通過(guò)圖像處理獲得后墻的鼓包高度。當(dāng)后墻穿透時(shí),鼓包高度以穿孔邊緣光滑曲面測(cè)量。后墻鼓包高度的誤差小于0.2mm。

圖5 氣動(dòng)中心超高速碰撞靶Fig.5 Aerodynamic center hypervelocity impact target

表1 填充層結(jié)構(gòu)中的纖維材料參數(shù)Tab.1 Fiber material parameters in filled layer structure

表2 靶材填充層結(jié)構(gòu)Tab.2 Target filling layer structure

4 超高速撞擊試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 靶材結(jié)構(gòu)損傷和撞擊過(guò)程

靶材1-2的主要損傷情況如下:填充層正面第一層纖維布拉伸損傷范圍φ120mm,纖維穿孔φ80mm,背面纖維穿孔25mm×30mm;后墻未穿透、鼓包高度13.28mm,正面沾有纖維,黑色物質(zhì)分布范圍φ70mm,背面可見(jiàn)多個(gè)小鼓包。靶材填充層及后墻損傷照片如圖6所示。

靶材2-1的主要損傷情況如下:填充層正面第一層纖維布拉伸損傷范圍φ120mm,正面纖維穿孔φ85mm,背面纖維穿孔25mm×25mm;后墻臨界穿透,穿孔φ0.5mm,正面黑色物質(zhì)分布在φ45mm,背面有不明顯鼓包。驗(yàn)證板正面黑色物質(zhì)分布在φ10mm,背面無(wú)小鼓包。靶材填充層、后墻及驗(yàn)證板損傷圖像如圖7所示。

圖6 靶材1-2損傷圖像 (dP=5.03mm VP=4.62km/s)Fig.6 Target 1-2 damage image(dP=5.03mm VP=4.62km/s)

靶材3-1的主要損傷情況如下:填充正面第一層纖維布拉伸損傷范圍φ130mm,正面纖維穿孔φ85mm,背面纖維穿孔30mm×25mm;后墻未穿透、鼓包高度12.35mm,正面黑色物質(zhì)分布在φ50mm,背面有小鼓包。靶材填充層及后墻圖像如圖8所示。

圖7 靶材2-1損傷圖像 (dP=5.03mm VP=4.76km/s)Fig.7 Target 2-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.76km/s)

圖8 靶材3-1損傷圖像 (dP=5.03mm VP=4.55km/s)Fig.8 Target 3-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.55km/s)

靶材3-2的主要損傷情況如下:填充層正面第一層纖維布拉伸損傷范圍φ140mm,纖維穿孔φ75mm,背面纖維穿孔35mm×35mm;后墻未穿透、鼓包高度13.39mm,正面黑色物質(zhì)分布在50mm,背面小鼓包不明顯。靶材填充層及后墻損傷圖像如圖9所示。

靶材3A-1的主要損傷情況如下:填充層正面纖維拉伸損傷φ110mm,正面纖維穿孔φ80mm,背面纖維穿孔60mm×50mm;后墻穿孔3.56mm×3.3mm、φ1mm,正面有纖維、黑色物質(zhì)分布在φ80mm,背面多個(gè)小鼓包;驗(yàn)證板正面可見(jiàn)黑白粉末分布在30mm×30mm,背面可見(jiàn)五個(gè)小鼓包。靶材填充層、后墻及驗(yàn)證板損傷圖像如圖10所示。

圖9 靶材3-2損傷圖像 (dP=5.03mm VP=4.74km/s)Fig.9 Target 3-2 damage image(dP=5.03mm VP=4.74km/s)

靶材3B-1的主要損傷情況如下:填充層正面第一層纖維布拉伸損傷范圍φ130mm,纖維穿孔φ70mm,背面纖維穿孔60mm×60mm;后墻未穿透、崩落區(qū)域0.2mm、鼓包高度18.01mm,正面黑色粉末分布在φ80mm,背面可見(jiàn)多個(gè)小鼓包;驗(yàn)證板正面有不明顯粉末,背面無(wú)小鼓包。靶材填充層、后墻及驗(yàn)證板損傷圖像如圖11所示。

靶材4-1的主要損傷情況如下:填充層正面第一層纖維布拉伸損傷范圍φ150mm,正面纖維穿孔φ70mm,背面纖維穿孔35mm×35mm;后墻未穿透、鼓包高度10.91mm,正面可見(jiàn)小坑,正面黑色物質(zhì)分布在φ55mm,背面有小鼓包。靶材填充層及后墻損傷圖像如圖12所示。

靶材5-1的主要損傷情況如下:填充層正面第一層纖維布拉伸損傷范圍φ140mm,纖維穿孔φ75mm,背面纖維穿孔25mm×25mm;后墻未穿透、鼓包高度14.13mm,正面黑色物質(zhì)分布在50mm,背面有小鼓包。靶材填充層及后墻損傷圖像如圖13所示。

圖10 靶材3A-1損傷 (dP=5.03mm VP=4.96km/s)Fig.10 Target 3A-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.96km/s)

靶材6-1的主要損傷情況如下:填充層正面第一層纖維布拉伸損傷范圍φ170mm,纖維穿孔φ60mm,背面纖維穿孔φ40mm;后墻穿孔φ2.50mm,正面黑色物質(zhì)分布范圍φ70mm,背面有小鼓包;驗(yàn)證板正面可見(jiàn)小坑,黑、白粉末分布在φ31mm,背面有小鼓包。靶材填充層、后墻及驗(yàn)證板損傷圖像如圖14所示。

圖11 靶材3B-1損傷圖像 (dP=5.03mm,VP=4.91km/s)Fig.11 Target 3B-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.91km/s)

靶材6A-1的主要損傷情況如下:填充層正面第一層纖維布拉伸損傷范圍φ110mm,纖維穿孔φ65mm,背面纖維穿孔60mm×60mm;后墻穿孔φ1mm、φ0.3mm,正面沾有纖維、黑色粉末分布在φ80mm范圍,背面多個(gè)小鼓包;驗(yàn)證板正面黑白粉末分布在15mm×20mm,背面無(wú)小鼓包。靶材填充層、后墻及驗(yàn)證板損傷圖像如圖15所示。

靶材6B-1的主要損傷情況如下:填充層正面第一層纖維布拉伸損傷范圍φ130mm,纖維穿孔φ60mm,背面纖維穿孔60mm×55mm;后墻穿孔16mm×1.2mm,正面可見(jiàn)纖維黑色粉末分布在φ70mm,背面有多個(gè)鼓包。驗(yàn)證板正面黑白粉末分布在25mm×15mm,背面無(wú)鼓包。靶材填充層、后墻及驗(yàn)證板損傷圖像如圖16所示。

圖12 靶材4-1損傷圖像 (dP=5.04mm VP=4.83km/s)Fig.12 Target 4-1 damage image(dP=5.04mm VP=4.83km/s)

圖13 靶材5-1損傷圖像 (dP=5.04mm VP=4.68km/s)Fig.13 Target 5-1 damage image(dP=5.04mm VP=4.68km/s)

圖14 靶材6-1損傷圖像 (dP=5.04mm VP=4.64km/s)Fig.14 Target 6-1 damage image(dP=5.04mm VP=4.64km/s)

靶材7-1的主要損傷情況如下:填充層正面第一層纖維布拉伸損傷范圍φ140mm,纖維穿孔φ65mm,背面纖維穿孔45mm×25mm;后墻穿孔φ1.85mm,正面可黑色粉末和纖維絲分布在φ75mm范圍,背面可見(jiàn)多個(gè)小鼓包;驗(yàn)證板正面沾有黑、白粉末分布在20mm×20mm,可見(jiàn)小坑,背面可見(jiàn)一個(gè)小鼓包。靶材填充層、后墻及驗(yàn)證板損傷圖像如圖17所示。

靶材8-1的主要損傷情況如下:填充層正面第一層纖維布拉伸損傷范圍φ130mm、穿孔φ75mm,背面芳綸-III纖維布穿孔40mm×40mm,鋁蜂窩芯穿孔φ110mm;后墻穿孔φ2.50mm、鼓包高度11.93mm,正面黑色物質(zhì)分布范圍φ55mm,背面有幾個(gè)明顯的小鼓包。驗(yàn)證板正面白色物質(zhì)分布在φ24mm,背面有幾個(gè)明顯小鼓包。靶材填充層、后墻和驗(yàn)證板的損傷照片如圖18所示。

圖15 靶材6A-1損傷圖像 (dP=5.03mm VP=4.89km/s)Fig.15 Target 6A-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.89km/s)

靶材9-1的主要損傷情況如下:填充層正面第一層纖維布拉伸損傷范圍φ170mm、穿孔φ60mm,背面纖維布穿孔φ40mm,鋁蜂窩芯穿孔φ100mm;后墻臨界穿孔、鼓包高度11.43mm,正面黑色物質(zhì)分布范圍φ60mm,背面有小鼓包。驗(yàn)證板正面白色物質(zhì)分布在φ10mm,背面有無(wú)小鼓包。靶材填充層、后墻和驗(yàn)證板的損傷照片如圖19所示。

靶材10-1的主要損傷情況如下:填充層正面第一層纖維布拉伸損傷范圍φ120mm,正面纖維穿孔φ75mm,背面纖維穿孔30mm×30mm;后墻未穿透、鼓包高度9.13mm,正面黑色物質(zhì)分布在φ50mm,背面有不明顯鼓包。靶材填充層及后墻損傷圖像如圖20所示。

圖16 靶材6B-1損傷圖像 (dP=5.03mm VP=4.75km/s)Fig.16 Target 6B-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.75km/s)

靶材11-1的主要損傷情況如下:填充層正面第一層纖維布拉伸損傷范圍φ120mm、穿孔φ70mm,背面芳綸-III纖維布穿孔45mm×40mm,鋁蜂窩芯穿孔φ110mm;后墻臨界穿孔、鼓包高度11.22mm,正面黑色物質(zhì)分布在φ50mm,背面有不明顯小鼓包。驗(yàn)證板正面不明顯白色物質(zhì)分布在φ10mm,背面無(wú)小鼓包。靶材填充層、后墻和驗(yàn)證板的損傷照片如圖21所示。

靶材12-1的主要損傷情況如下:填充層正面第一層纖維布拉伸損傷范圍φ150mm,纖維穿孔φ70mm,背面纖維穿孔40mm×50mm;后墻穿孔0.5mm,正面黑色粉末分布在φ70mm,背面可見(jiàn)小鼓包;驗(yàn)證板正面白色粉末分布在φ15mm,背面無(wú)小鼓包。靶材填充層、后墻及驗(yàn)證板損傷圖像如圖22所示。

圖17 靶材7-1損傷圖像 (dP=5.03mm VP=4.89km/s)Fig.17 Target 7-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.89km/s)

圖18 靶材8-1損傷 (dP=5.03mm VP=4.78km/s)Fig.18 Target 8-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.78km/s)

靶材后墻側(cè)面陰影圖如圖23所示,由后墻的陰影圖像處理得到其鼓包高度,靶材后墻損傷參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 靶材后墻損傷參數(shù)Tab.3 Damage parameters of target back wall

續(xù)表3

圖19 靶材9-1損傷 (dP=5.00mm VP=4.61km/s)Fig.19 Target 9-1 damage image(dP=5.00mm VP=4.61km/s)

彈丸超高速撞擊靶材過(guò)程的陰影圖像如圖24～圖42,由于纖維填充層反濺形成的碎片云顆粒很小,它們的邊界模糊,很難通過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得其運(yùn)動(dòng)速度。

4.2 填充層中芳綸材料對(duì)防護(hù)性能的影響

圖20 靶材10-1損傷圖像 (dP=5.03mm VP=4.72km/s)Fig.20 Target 10-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.72km/s)

靶材1-2、2-1、4-1、10-1的填充層結(jié)構(gòu)的面密度相當(dāng),撞擊參數(shù)相近,其中,靶材10-1后墻損傷最輕,靶材2-1的損傷最重。靶材3-2、5-1的填充層結(jié)構(gòu)的面密度相當(dāng),撞擊參數(shù)相近,其中前者后墻的鼓包高度最小。由兩組對(duì)比試驗(yàn)可知,與相同面密度芳綸-II纖維布相比,國(guó)產(chǎn)芳綸-III-A纖維具有較好的抗沖擊性能,PBO纖維的抗沖擊性能與芳綸-III纖維相當(dāng)。靶材4-1和10-1填充層中芳綸纖維布抗拉強(qiáng)度分別是另外兩種靶材填充層中纖維布抗拉強(qiáng)度約1.4倍,纖維填充層對(duì)彈丸撞擊緩沖屏形成的碎片云進(jìn)行了有效的攔截、破碎。彈性模型高的纖維布抗沖擊性能好,在纖維填充式防護(hù)構(gòu)型可提高填充層破碎、攔截碎片云的性能,進(jìn)而提高防護(hù)構(gòu)型抗空間碎片撞擊的性能。從纖維布的靜態(tài)測(cè)試結(jié)果看,面密度相近的PBO纖維布的抗沖擊性能較芳綸-III纖維布好,從以上兩組對(duì)比試驗(yàn)得到的結(jié)果有一定差異,可能與纖維布裝配時(shí)的貼緊程度差異,在靶材8-1和11-1纖維填充層和后墻之間增加的鋁蜂窩芯起到支撐纖維的作用,裝配時(shí)各層纖維布之間的空隙減小,由靶材后墻損傷情況可知試驗(yàn)條件下使用了PBO纖維布的性能略好一些。

4.3 纖維混編對(duì)防護(hù)性能的影響

圖21 靶材11-1損傷 (dP=5.03mm VP=4.74km/s)Fig.21 Target 11-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.74km/s)

靶材3-1、3-2、6-1的填充層面密度相當(dāng)。靶材6-1中的填充層的混編纖維布帶有方向性,6層纖維布交錯(cuò)放置。每層纖維布是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的受沖擊載體,根據(jù)最小拉力破壞準(zhǔn)則,沖擊強(qiáng)度達(dá)到最小斷裂強(qiáng)度時(shí)纖維發(fā)生斷裂,若將每層纖維布的抗拉強(qiáng)度疊加,靶材6-1填充層抗拉強(qiáng)度是靶材3-1或3-2填充層的1.1倍。根據(jù)此分析假設(shè),靶材6-1的防護(hù)性能應(yīng)該優(yōu)于靶材3-1和3-2,從試驗(yàn)結(jié)果看混編纖維布組成的填充層結(jié)構(gòu)并沒(méi)有提高破碎、攔截碎片云的作用。出現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的可能原因是:靶材中的填充層各層纖維之間存在空隙,類(lèi)似于多層沖擊防護(hù)屏;在開(kāi)展的試驗(yàn)狀態(tài)下鋁球撞擊緩沖屏形成的鋁碎片云尺寸在0.5mm量級(jí),芳綸-III-A纖維布、玄武巖纖維布、玄武巖和芳綸-III-A混編纖維布的厚度分別為0.15mm、0.23mm和0.19mm,纖維布的厚度可能影響了鋁碎片云與纖維布的作用時(shí)間和破碎程度,混編纖維布在開(kāi)展的試驗(yàn)條件下不利于鋁碎片云的破碎、攔截。靶材8-1和9-1的纖維填充層和后墻之間增加的鋁蜂窩芯減小各層纖維布之間的空隙,該組對(duì)比試驗(yàn)中多層混編纖維布結(jié)構(gòu)整體抗沖擊強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)可能得到了體現(xiàn),所以靶材9-1的后墻損傷程度較靶材8-1的輕。

圖22 靶材12-1損傷圖像 (dP=5.03mm VP=4.87km/s)Fig.22 Target 12-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.87km/s)

4.4 纖維布裝配方式對(duì)防護(hù)性能的影響

靶材3-1、3-2填充層結(jié)構(gòu)相同,靶材的后墻均未穿透,隨著彈丸撞擊速度的提高,靶材后墻的鼓包高度增大。靶材4-1填充層中有6層芳綸-III-A纖維布,靶材3-2的填充層只有3層芳綸-III-A纖維布,后者填充層的防護(hù)性能減弱;另一組類(lèi)似對(duì)比試驗(yàn),靶材5-1和10-1的損傷情況相同。在填充層結(jié)構(gòu)中增加芳綸纖維布,可提高填充層的防護(hù)性能。

圖23 靶材后墻側(cè)面陰影圖Fig.23 Side shadow image of back wall of target

圖24 超高速撞擊靶材1-1陰影圖像Fig.24 Shadow image of hypervelocity impact target 1-1

圖25 超高速撞擊靶材2-1陰影圖像Fig.25 Shadow image of hypervelocity impact target 2-1

靶材3-2、12-1的填充層材料相同,由三層玄武巖纖維布和三層芳綸-III-A纖維布組成,區(qū)別在纖維布的裝配方式不同。靶材損傷結(jié)果表明,玄武巖纖維布和三層芳綸-III-A交替放置能提高其防護(hù)性能,這與文獻(xiàn) [4]得到的結(jié)果一致。靶材7-1的填充層中芳綸-III-C與芳綸-III-A的纖維材料相同,前者的纖維絲線密度為200tex,后者的線密度為44tex,三層芳綸-III-A纖維布與一層芳綸-III-C的面密度相當(dāng)。對(duì)比靶材3-2、7-1、12-1的后墻損傷,靶材7-1的填充層的整體防護(hù)性能最差,但其耗散碎片云動(dòng)能的效果明顯,其內(nèi)部機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

圖26 超高速撞擊靶材3-1陰影圖像Fig.26 Shadow image of hypervelocity impact target 3-1

圖27 超高速撞擊靶材3-2陰影圖像Fig.27 Shadow image of hypervelocity impact target 3-2

圖28 超高速撞擊靶材3-A1陰影圖像Fig.28 Shadow image of hypervelocity impact target 3-A1

圖29 超高速撞擊靶材3-B1陰影圖像Fig.29 Shadow image of hypervelocity impact target 3-B1

圖30 超高速撞擊靶材4-1陰影圖像Fig.30 Shadow image of hypervelocity impact target 4-1

圖31 超高速撞擊靶材5-1陰影圖像Fig.31 Shadow image of hypervelocity impact target 5-1

圖32 超高速撞擊靶材5-A1陰影圖像Fig.32 Shadow image of hypervelocity impact target 5-A1

圖33 超高速撞擊靶材5-B1陰影圖像Fig.33 Shadow image of hypervelocity impact target 5-B1

圖34 超高速撞擊靶材6-1陰影圖像Fig.34 Shadow image of hypervelocity impact target 6-1

圖35 超高速撞擊靶材6A-1陰影圖像Fig.35 Shadow image of hypervelocity impact target 6A-1

圖36 超高速撞擊靶材6B-1陰影圖像Fig.36 Shadow image of hypervelocity impact target 6B-1

圖37 超高速撞擊靶材7-1陰影圖像Fig.37 Shadow image of hypervelocity impact target 7-1

圖38 超高速撞擊靶材8-1陰影圖像Fig.38 Shadow image of hypervelocity impact target 8-1

圖39 超高速撞擊靶材9-1陰影圖像Fig.39 Shadow image of hypervelocity impact target 9-1

圖40 超高速撞擊靶材10-1陰影圖像Fig.40 Shadow image of hypervelocity impact target 10-1

圖41 超高速撞擊靶材11-1陰影圖像Fig.41 Shadow image of hypervelocity impact target 11-1

圖42 超高速撞擊靶材12-1陰影圖像Fig.42 Shadow image of hypervelocity impact target 12-1

靶材3-2、3A-1和3B-1的填充層纖維布材料和放置順序均相同,后兩種分別采用芳綸線縫紉、膠水粘貼。靶材損傷結(jié)果表明:后兩種靶材的填充層結(jié)構(gòu)防護(hù)性能下降。另一組類(lèi)似的試驗(yàn),靶材6-1、6A-1和6B-1的后墻損傷也得到類(lèi)似的結(jié)果。纖維層結(jié)構(gòu)與碎片云的作用是接觸、變形、破碎的過(guò)程,芳綸纖維的韌性可提高玄武巖纖維與碎片云的作用時(shí)間,實(shí)現(xiàn)碎片云的充分破碎。芳綸線縫紉、膠水粘貼提高了填充層結(jié)構(gòu)的 “硬度”、形成的反濺碎片云明顯,可減少纖維填充層結(jié)構(gòu)的附件重量。纖維變形和拉伸被約束,纖維布的拉伸斷裂阻力增加、拉伸損傷造成輻射狀條紋區(qū)域減小,不利于耗散碎片云動(dòng)能,隨著纖維填充層的硬度及平整性提高,該負(fù)面作用越明顯。

5 結(jié)論與展望

試驗(yàn)結(jié)果表明:芳綸-III纖維布攔截碎片云的效果優(yōu)于相同面面密度的芳綸-II纖維布,芳綸-III纖維布在填充式防護(hù)構(gòu)型中具有應(yīng)用前景;PBO纖維具有與芳綸-III纖維相似的抗沖擊性能、較好的抗阻燃性,其抗輻照性能差制約了其在空間防護(hù)構(gòu)型中的應(yīng)用。填充層結(jié)構(gòu)中玄武巖和芳綸-III的貼緊程度會(huì)影響其防護(hù)性能,將玄武巖和芳綸-III混編,以及分別用芳綸線縫紉和膠水粘貼的多層玄武巖和芳綸-III纖維布均可提高不同纖維的貼緊程度和填充層結(jié)構(gòu)的平整性,但貼的太緊時(shí)反而不利于纖維填充層結(jié)構(gòu)耗散碎片云動(dòng)能,造成填充層結(jié)構(gòu)攔截碎片云性能下降。玄武巖和芳綸-III的貼緊程度應(yīng)適度,有利于其破碎和耗散碎片云,才能保證其防護(hù)性能。在研究填充層中的不同纖維布對(duì)防護(hù)性能的影響時(shí),應(yīng)采用相同的裝配方式保證纖維布的貼緊程度,消除該因素對(duì)研究結(jié)果的影響。

芳綸纖維的編制方式影響了其攔截碎片耗散其動(dòng)能的效果,其影響機(jī)理及優(yōu)化設(shè)計(jì)需進(jìn)一步研究。為了提高陶瓷纖維和芳綸纖維組成的填充層結(jié)構(gòu)防護(hù)性能,應(yīng)開(kāi)展纖維填充層結(jié)構(gòu)復(fù)合一體化設(shè)計(jì)。

致謝

試驗(yàn)是在中國(guó)空間碎片項(xiàng)目 (編號(hào):KJSP 2016030101)的支持下開(kāi)展的。李文光、劉曉龍、蔣偉、趙浩龍、丁建文等同志在試驗(yàn)過(guò)程中的辛勤付出,在此表示感謝。