鋁彈丸超高速正撞擊鋁合金薄板產(chǎn)生濺射物云特性研究

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)

隨著深空探測技術(shù)的發(fā)展及人類航天活動的日益頻繁，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]。空間碎片環(huán)境模型是評估航天器撞擊風(fēng)險和防護(hù)設(shè)計的主要依據(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)緩沖板時將產(chǎn)生更多的濺射二次微小碎片，這些微小碎片對航天器部件的撞擊及累計效應(yīng)給航天器安全運(yùn)行和使用壽命帶來新的風(fēng)險和威脅。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)計和減緩空間碎片的增長有重要意義。

國際空間機(jī)構(gòu)提出了多個濺射碎片工程模型用來評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停A(yù)測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]對撞擊濺射現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得到超高速撞擊時產(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)對超高速撞擊濺射物的研究仍處于起步階段，對濺射物形態(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)。

利用二級輕氣炮驅(qū)動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)采用二級輕氣炮強(qiáng)沖擊加載實(shí)驗(yàn)平臺，二級輕氣炮口徑?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)時靶艙內(nèi)為抽真空狀態(tài)，采用電磁感應(yīng)測速系統(tǒng)測量二級輕氣炮驅(qū)動彈丸的飛行速度。

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)系計算，通常可達(dá)幾十吉帕，遠(yuǎn)超過材料的動態(tài)屈服強(qiáng)度，撞擊界面處材料發(fā)生塑性大變形流動、破碎、熔化及相變[11]。空間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。可以看到，鋁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，對圖4中的濺射物撞擊坑進(jìn)行光學(xué)放大顯微觀測，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。可以看到，不同的濺射物物質(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，其對應(yīng)的時空分布應(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)證板距離靶板長度。實(shí)驗(yàn)得到彈丸以不同速度撞擊2A12鋁合金薄板時的正面穿孔形態(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，對濺射環(huán)的定義為僅包括主要的濺射物云團(tuán)簇。對于非球彈丸的撞擊，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，因此目前的測試手段很難準(zhǔn)確測量單個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)延遲時間，相機(jī)曝光時間為40 ns。圖7中的幅影像照片時間間隔(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)參考時間t=0時刻。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，圖8所示的影像照片中得到不同時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)影像照片測量濺射閃光熱源的相對膨脹距離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，時間向前反推即可得到彈丸剛好撞擊到靶板的時間，約為基準(zhǔn)參考時間后的t=1 μs時刻。

(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時刻，隨著濺射閃光熱源溫度的降低，才可以清楚地觀測到濺射云團(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，分別測量t=16 μs和t=19 μs時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。非球彈丸撞擊時的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)對濺射物云團(tuán)簇的分布形態(tài)有較大影響。

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