不同環(huán)境溫度下鋁球高速撞擊纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)試驗研究

管公順，廖 祥，張 鐸

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150080)

空間環(huán)境極其復(fù)雜，包括高真空、微重力、等離子體、高能粒子輻照、高低溫及溫度交變等[1-2]。在極端空間環(huán)境中，航天器結(jié)構(gòu)及防護(hù)材料的機(jī)械、物理、化學(xué)等性能將會發(fā)生變化[3-4]，同時，空間環(huán)境將對航天器敏感材料及器件的正常工作產(chǎn)生影響[5-6]。當(dāng)航天器在空間軌道上受到太陽直接照射時，其表面溫度可達(dá)200 ℃，而在地球陰影面運行時，其表面溫度可降至-180 ℃。極端高低溫環(huán)境將導(dǎo)致航天器結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能下降[7-8]，頻繁的高低溫交變也會造成航天器結(jié)構(gòu)材料的疲勞破壞[9]。空間高能量電子輻照也是造成航天器在軌工作異常和材料性能退化的重要原因[10]。防護(hù)結(jié)構(gòu)是航天器抵御空間碎片撞擊、提高在軌生存力的最外層屏障，直接暴露于太空環(huán)境中，極端環(huán)境因素引起的防護(hù)材料疲勞破壞問題更加突出。環(huán)境溫度的劇烈變化、高能量電子的強(qiáng)烈輻照均會造成防護(hù)材料表面的嚴(yán)重疲勞損傷[11-13]，從而引起防護(hù)結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能下降。本文以纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對象，采用高速撞擊試驗的方法，研究其在不同環(huán)境溫度時的高速撞擊損傷和防護(hù)特性，分析環(huán)境溫度、高低溫交變、電子輻照對纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)高速撞擊損傷及防護(hù)特性的影響。

1 試驗方法

本文試驗用的防護(hù)結(jié)構(gòu)由玄武巖纖維布、Kevlar纖維布、2A12鋁板和5A06鋁板組成。玄武巖纖維布層和Kevlar纖維布層的面密度均為0.068 g/cm2，2A12鋁板的厚度為0.5 mm，5A06鋁板作為用于模擬航天器艙壁的后板，其厚度為3 mm。結(jié)構(gòu)總防護(hù)間距為100 mm，玄武巖纖維布、Kevlar纖維布和2A12鋁板依次間隔25 mm，2A12鋁板與后板間隔50 mm，試驗采用的組合防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文進(jìn)行了高低溫交變和電子輻照兩種空間環(huán)境疲勞作用的模擬。對玄武巖纖維布和Kevlar纖維布的高低溫交變和電子輻照作用都是在靶艙外進(jìn)行的。高低溫交變過程中的加熱和制冷分別在高溫加熱箱和低溫制冷箱中進(jìn)行，首先將纖維布放入加熱箱中加熱到200 ℃，保持20 min后取出，恢復(fù)到室溫后再將其放入制冷箱中冷卻至-100 ℃，保持20 min后取出，恢復(fù)到室溫后再進(jìn)行下一次加熱和制冷，反復(fù)進(jìn)行30次。電子輻照作用是將纖維布放置在輻照設(shè)備中進(jìn)行處理，輻照電子能量為1 MeV，電子束流量為5.3×1015cm2·s，輻照總注量為6.03 C。最后，將經(jīng)過高低溫交變和電子輻照作用后的纖維布與鋁板組裝成防護(hù)結(jié)構(gòu)放入靶艙中進(jìn)行撞擊試驗。本文試驗用的防護(hù)結(jié)構(gòu)有三種類型：纖維布未經(jīng)過環(huán)境疲勞作用的防護(hù)結(jié)構(gòu)；纖維布只經(jīng)過高低溫交變的防護(hù)結(jié)構(gòu)；纖維布只經(jīng)過電子輻照的防護(hù)結(jié)構(gòu)。進(jìn)行高低溫環(huán)境下的高速撞擊試驗時，將試驗用的防護(hù)結(jié)構(gòu)安裝在具有溫度控制功能的小靶箱內(nèi)，之后，將小靶箱固定在輕氣炮靶艙內(nèi)的彈道上，在小靶箱內(nèi)模擬撞擊時的高溫和低溫環(huán)境。小靶箱面對彈丸撞擊的密封門在輕氣炮擊發(fā)前的瞬間通過遠(yuǎn)程控制打開，確保彈丸撞擊防護(hù)結(jié)構(gòu)時的溫度為設(shè)定的環(huán)境溫度。

圖1 實驗中采用的防護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.1 The shield in the test

試驗采用非火藥驅(qū)動二級輕氣炮加速2017鋁球彈丸。一級、二級驅(qū)動氣體分別為氮氣和氫氣，利用氣動阻力實現(xiàn)彈丸與彈托的分離。彈丸直徑為3.97 mm，撞擊速度在1.4 ～3.53 km/s之間，撞擊角度為0°，彈丸速度采用磁感應(yīng)方法測量，精度高于2%。撞擊時，靶艙內(nèi)壓力小于200 Pa，靶艙內(nèi)溫度分別為20 ℃、200 ℃和-100 ℃。本文共進(jìn)行了39次高速撞擊試驗，其中，未對纖維布進(jìn)行環(huán)境疲勞作用的試驗有18次，對纖維布進(jìn)行高低溫交變作用的試驗有12次，對纖維布進(jìn)行電子輻照作用的試驗有9次，環(huán)境疲勞作用情況詳見表1。表中編號字母“BK”表示未對纖維布進(jìn)行環(huán)境疲勞作用；字母“BKH”表示只對纖維布進(jìn)行高低溫交變作用；字母“BKR”表示只對纖維布進(jìn)行電子輻照作用。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果

鋁球彈丸高速撞擊纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)后，各防護(hù)層呈現(xiàn)不同的損傷形式，且當(dāng)撞擊速度不同時，損傷形式存在一些差別。同時發(fā)現(xiàn)，在相同撞擊條件下，環(huán)境疲勞和環(huán)境溫度對后板損傷的嚴(yán)重程度有顯著影響。防護(hù)層及后板撞擊損傷的部分試驗結(jié)果如圖2～圖4所示。在本文試驗撞擊速度下，首先被彈丸擊穿的玄武巖纖維布層的穿孔邊緣均較為規(guī)則平整，纖維絲無明顯拉伸現(xiàn)象。隨著撞擊速度的增加，玄武巖纖維布層穿孔尺寸略有增大，但高低溫交變和電子輻照對玄武巖纖維布層的穿孔尺寸無顯著影響。當(dāng)環(huán)境溫度為200 ℃時，與環(huán)境溫度為20 ℃和-100 ℃的情況相比，玄武巖纖維布層穿孔尺寸略有增大。Kevlar纖維布層的穿孔邊緣纖維絲拉伸斷裂現(xiàn)象較為明顯，穿孔周圍有纖維布碎片撞擊產(chǎn)生的放射狀噴濺痕跡，且撞擊速度越大，穿孔尺寸越大，穿孔邊緣纖維絲拉伸現(xiàn)象越顯著，放射狀噴濺范圍越大。

(a) No.BK03

(a) No.BK12

當(dāng)撞擊速度較低時，2A12鋁板中心大穿孔近似圓形。隨著撞擊速度的提高，2A12鋁板中心大穿孔呈不規(guī)則形狀，同時，中心大穿孔周圍伴隨著一些小穿孔。后板的宏觀損傷形式為穿孔和鼓包，且撞擊條件、環(huán)境溫度、纖維布環(huán)境疲勞狀態(tài)不同，后板的損傷形式有所區(qū)別。結(jié)果顯示，纖維布的高低溫交變和環(huán)境溫度對2A12鋁板及后板的損傷有顯著影響。

表1給出了本文試驗的撞擊條件和損傷結(jié)果，其中v、T、DBH、DRH、LR、DR1、DR99分別表示撞擊速度、環(huán)境溫度、2A12鋁板穿孔等效面積圓直徑、后板穿孔等效面積圓直徑、后板鼓包高度、后板撞擊面上坑徑大于1 mm的彈坑分布區(qū)直徑和后板撞擊面上彈坑最大散布區(qū)直徑。

(a) No.BK17

2.2 結(jié)果分析

本文研究了經(jīng)過高低溫交變和電子輻照等環(huán)境疲勞作用后的纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境溫度時的高速撞擊損傷與防護(hù)特性。

圖5給出了未經(jīng)過環(huán)境疲勞作用的纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)在20 ℃環(huán)境溫度時2A12鋁板和后板的高速撞擊損傷隨撞擊速度的變化規(guī)律。可以看出，在本文試驗條件下，隨著撞擊速度的增加，防護(hù)結(jié)構(gòu)中的2A12鋁板穿孔尺寸DBH和后板撞擊面上彈坑最大散布區(qū)直徑DR99均逐漸增大，而后板的損傷形式依次為鼓包、穿孔、鼓包。這說明，在本文撞擊速度范圍內(nèi)，直徑為3.97 mm的2017鋁球彈丸存在上下兩個使該纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生臨界穿孔失效的撞擊極限速度，根據(jù)試驗結(jié)果可知，其下極限速度約為1.91 km/s，上極限速度約為3.03 km/s。

圖6給出了經(jīng)過高低溫交變和電子輻照作用的纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)在20 ℃環(huán)境溫度時2A12鋁板和后板的高速撞擊損傷隨撞擊速度的變化規(guī)律。可以看出，在本文試驗條件下，無論纖維布是否進(jìn)行環(huán)境疲勞作用，隨著撞擊速度的增加，防護(hù)結(jié)構(gòu)中的2A12鋁板穿孔尺寸DBH和后板撞擊面上彈坑最大散布區(qū)直徑DR99均逐漸增大，且在相同撞擊條件下，經(jīng)過高低溫交變的防護(hù)結(jié)構(gòu)中的2A12鋁板穿孔尺寸DBH大于未經(jīng)過高低溫交變和經(jīng)過電子輻照的防護(hù)結(jié)構(gòu)中的2A12鋁板穿孔尺寸。當(dāng)撞擊速度大于3 km/s后，經(jīng)過高低溫交變的防護(hù)結(jié)構(gòu)中的2A12鋁板穿孔尺寸DBH和后板撞擊面上彈坑最大散布區(qū)直徑DR99明顯大于其他兩種情況時的穿孔尺寸和彈坑最大散布區(qū)直徑。后板的主要損傷形式為中心穿孔和鼓包。當(dāng)撞擊速度小于1.78 km/s時，無論纖維布是否經(jīng)過環(huán)境疲勞作用，防護(hù)結(jié)構(gòu)的后板損傷均為鼓包，但纖維布經(jīng)過高低溫交變的防護(hù)結(jié)構(gòu)的后板鼓包更大。當(dāng)撞擊速度大于3.29 km/s時，纖維布未經(jīng)過環(huán)境疲勞作用的防護(hù)結(jié)構(gòu)的后板損傷均為鼓包，而纖維布經(jīng)過高低溫交變和電子輻照的防護(hù)結(jié)構(gòu)的后板損傷均為穿孔，且在相同撞擊條件下，經(jīng)過高低溫交變的防護(hù)結(jié)構(gòu)的后板穿孔尺寸更大。

(a) variation of DBH with v

(a) variation of DBH with v

在本文撞擊速度范圍內(nèi)，針對直徑為3.97 mm的2017鋁球彈丸，經(jīng)過高低溫交變和電子輻照的纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)只發(fā)生了一次臨界穿孔失效，即當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時，經(jīng)過高低溫交變的防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生臨界穿孔失效時的下極限速度約為1.74 km/s，經(jīng)過電子輻照的防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生臨界穿孔失效時的下極限速度約為1.87 km/s，均小于未經(jīng)過環(huán)境疲勞作用的防護(hù)結(jié)構(gòu)在相同撞擊條件下發(fā)生臨界穿孔失效時的下極限速度。從試驗結(jié)果看，當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時，未經(jīng)過環(huán)境疲勞作用的防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生臨界穿孔失效時的上極限速度為3.03 km/s，而經(jīng)過環(huán)境疲勞作用的防護(hù)結(jié)構(gòu)在撞擊速度大于3.03 km/s時均發(fā)生了穿孔失效，如表1所示。這說明，經(jīng)過環(huán)境疲勞作用的防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生臨界穿孔失效時的上極限速度大于未經(jīng)過環(huán)境疲勞作用的防護(hù)結(jié)構(gòu)在相同撞擊條件下發(fā)生臨界穿孔失效時的上極限速度。

表1 試驗結(jié)果Tab.1 Experimental results

上述后板發(fā)生臨界穿孔失效時的極限速度變化規(guī)律說明，高低溫交變和電子輻照使纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能下降，表現(xiàn)為：當(dāng)撞擊條件相同時，環(huán)境疲勞作用使防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生穿孔失效的撞擊速度范圍擴(kuò)大，防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生撞擊失效的概率增加。出現(xiàn)上述損傷規(guī)律的原因是，高低溫交變與電子輻照使玄武巖和Kevlar纖維布的抗拉強(qiáng)度下降，進(jìn)而削弱了纖維布對撞擊彈丸的破碎和減速能力，使得撞擊2A12鋁板的次生碎片尺寸、速度和動能更大，對后板的破壞能力更強(qiáng)。同時，由于纖維布破碎彈丸的能力減弱，使得彈丸穿過防護(hù)層時所受的橫向阻力減小，次生小碎片的橫向擴(kuò)展速度增大，導(dǎo)致后板撞擊面上的彈坑分布范圍擴(kuò)大。

圖7給出了未經(jīng)過環(huán)境疲勞作用的纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)分別在20 ℃、200 ℃和-100 ℃三種環(huán)境溫度時2A12鋁板和后板的高速撞擊損傷隨撞擊速度的變化規(guī)律。可以看出，在本文試驗條件下，隨著撞擊速度的增加，防護(hù)結(jié)構(gòu)中的2A12鋁板穿孔尺寸DBH和后板撞擊面上彈坑最大散布區(qū)直徑DR99均逐漸增大。比較本文三種環(huán)境溫度時的2A12鋁板穿孔大小和后板彈坑分布發(fā)現(xiàn)，在相同撞擊條件下，環(huán)境溫度為200 ℃時的2A12鋁板撞擊穿孔尺寸和后板彈坑分布范圍最大，環(huán)境溫度為-100 ℃時的2A12鋁板撞擊穿孔尺寸最小。隨著撞擊速度的增大，后板經(jīng)歷了從鼓包到穿孔，再到鼓包的損傷過程。可以發(fā)現(xiàn)，在相同撞擊速度下，環(huán)境溫度為200 ℃時的后板損傷最嚴(yán)重，表現(xiàn)為：均未被擊穿時，后板鼓包更高；均被擊穿時，后板穿孔尺寸更大。環(huán)境溫度為-100 ℃時的后板損傷最輕，表現(xiàn)為：均未被擊穿時，后板鼓包更小；均被擊穿時，后板穿孔尺寸更小。從試驗結(jié)果看，當(dāng)環(huán)境溫度為200℃時，針對直徑為3.97 mm的2017鋁球彈丸，未經(jīng)過環(huán)境疲勞作用的防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生臨界穿孔失效時的下極限速度約為1.83 km/s，上極限速度約為3.52 km/s；當(dāng)環(huán)境溫度為-100 ℃時，未經(jīng)過環(huán)境疲勞作用的防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生臨界穿孔失效時的下極限速度約為1.97 km/s，上極限速度約為3 km/s，如表2所示，表中T、vcl、vcu分別為環(huán)境溫度、防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生臨界穿孔失效時的下極限速度和上極限速度。因此，在相同撞擊條件下，與環(huán)境溫度為20 ℃時相比，環(huán)境溫度為200 ℃時使后板發(fā)生穿孔失效的撞擊速度范圍更大，環(huán)境溫度為-100 ℃時使后板發(fā)生穿孔失效的撞擊速度范圍更小。

(a) variation of DBH with v

表2 受到不同環(huán)境疲勞作用的防護(hù)結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境溫度時的撞擊極限速度

上述的后板損傷規(guī)律說明，在相同撞擊條件下，高溫環(huán)境使纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能下降，后板失效概率增大；低溫環(huán)境使纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能提高，后板失效概率減小。出現(xiàn)上述損傷規(guī)律的原因是，在高溫環(huán)境中，纖維布和鋁板材料的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度均有所下降，而延伸率增大，纖維布和鋁板破碎彈丸的能力減弱。此時，擊穿纖維布和2A12鋁板后的剩余彈丸尺寸和剩余速度相對更大，撞擊動能更集中，更容易造成后板穿孔或形成更大的中心鼓包；在低溫環(huán)境中，纖維布和鋁板材料脆性提高，延伸率減小，纖維布和2A12鋁板吸收彈丸撞擊動能的能力提高，從而使撞擊后板的能量減小，后板損傷減輕。

圖8給出了經(jīng)過環(huán)境疲勞作用的纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)分別在20 ℃、200 ℃和-100 ℃三種環(huán)境溫度時2A12鋁板和后板的高速撞擊損傷隨撞擊速度的變化規(guī)律。可以看出，在相同撞擊條件下，經(jīng)過高低溫交變的防護(hù)結(jié)構(gòu)或在高溫環(huán)境時，防護(hù)結(jié)構(gòu)中2A12鋁板的撞擊穿孔尺寸相對較大，但二者的耦合作用對2A12鋁板撞擊穿孔尺寸的影響并不顯著。經(jīng)過電子輻照的防護(hù)結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境時，防護(hù)結(jié)構(gòu)中2A12鋁板的撞擊穿孔尺寸相對較小，這說明低溫環(huán)境對2A12鋁板撞擊穿孔尺寸依然產(chǎn)生影響，但低溫環(huán)境與電子輻照的耦合作用并不明顯。同時發(fā)現(xiàn)，高低溫交變和高溫環(huán)境對后板彈坑分布范圍的耦合作用顯著，即在200 ℃環(huán)境溫度時，經(jīng)過高低溫交變的防護(hù)結(jié)構(gòu)的后板彈坑分布范圍明顯增大。

(a) variation of DBH with v

防護(hù)結(jié)構(gòu)的環(huán)境疲勞與環(huán)境溫度的耦合作用對防護(hù)結(jié)構(gòu)的后板損傷有顯著影響，在200 ℃環(huán)境溫度時，針對直徑為3.97 mm的2017鋁球彈丸，經(jīng)過高低溫交變的防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生臨界穿孔失效時的下極限速度小于1.57 km/s，而經(jīng)過電子輻照的防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生臨界穿孔失效時的下極限速度小于1.78 km/s，這兩個速度均小于環(huán)境疲勞和環(huán)境溫度單獨作用時防護(hù)結(jié)構(gòu)的下極限速度。由于試驗條件的限制，本文未能得到環(huán)境疲勞和環(huán)境溫度耦合作用下防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生臨界穿孔失效時的所有極限速度。

3 結(jié) 論

(1) 纖維布防護(hù)層受到高低溫交變和電子輻照作用時，纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能下降，且高低溫交變作用對纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能影響更顯著。

(2) 在高溫環(huán)境中，纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能下降；在低溫環(huán)境中，纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能提高，且高溫環(huán)境對纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能影響更顯著。

(3) 高溫環(huán)境與纖維布防護(hù)層受到高低溫交變、電子輻照的耦合作用加劇了纖維布/鋁板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)高速撞擊防護(hù)性能的下降。