郭运佳，文雪忠，黄 洁，赵君尧，柯发伟，柳 森

（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）

0 引言

高速运动的空间碎片撞击到航天器，可造成航天器表面受损、部件失灵乃至航天器解体等。随着人类航天事业的蓬勃发展，因废弃、解体航天器等产生的空间碎片数量激增，对在轨航天器的撞击损伤风险日益增大。为了保障航天器的在轨安全，发展防护性能好的轻型防护结构，始终是航天器防护设计的一项重点工作[1]。

Whipple结构是航天器抵御尺寸较小、难以跟踪识别的空间碎片撞击的经典防护结构。在此基础上，以进一步提升结构防护性能为目标，发展出多种防护结构，如缓冲屏改进型结构[2-5]、填充防护结构[6-11]、后壁改进型防护结构[12-13]以及其他异型结构[14]等，均能有效提升结构防护性能。其中，研究和应用较为广泛的是填充防护结构，如：NextelKevlar纤维填充结构[15-16]中的NextelKevlar 纤维可进一步破碎撞击穿过缓冲屏的碎片，吸收碎片动能，降低碎片撞击对后墙的损伤程度，从而显著提升结构防护性能，并已成功应用于国际空间站；铝网填充结构[17]中的铝网可破碎撞击碎片、分散撞击碎片能量，从而实现保护结构后墙、提升结构防护性能的效果；泡沫铝填充结构[18-19]中的泡沫铝和铝网的作用相似，且效果更加明显。一般认为，具备高强度和高模量特征的填充层能够进一步破碎撞击碎片，并衰减撞击能量，从而降低后墙损伤，达到提升结构防护性能的目的；且低密度特征填充层能够减小结构质量，有利于降低航天器的载荷成本。因此填充层材料的选用一般以高强度、高模量、低密度为原则。

为探索填充层材料特性对结构防护性能的影响，指导新型填充防护结构的优化设计，本文利用弹道靶设备开展超高速撞击试验，对比研究6种面密度相同但填充层材料特性不同的防护结构——NextelKevlar 纤维填充结构、BasaltKevlar 纤维填充结构、气凝胶玻纤复合材料填充结构、木层填充结构、玻璃钢填充结构和铝板填充结构（一般称为三层铝板结构，在本文中为了强调填充材料的差异，采用与其他几种结构对应的名称，称其为铝板填充结构）在相同试验状态下的损伤情况及其防护性能，初步评估了不同填充层材料对填充结构防护性能的影响。

1 超高速撞击试验设计

利用中国空气动力研究与发展中心的超高速弹道靶A（见图1）开展超高速撞击试验，以对比研究不同填充层材料对防护结构性能的影响。

图1 超高速弹道靶AFig.1 Hypervelocity ballistic range A

试验中采用的弹丸为2A12铝球，利用弹道极限方程[6]估算出铝板填充结构在5 km/s撞击速度下的临界弹丸尺寸约为5.0 mm。为了使试验结果对比相对明显，试验选用的弹丸直径为5.5 mm，以达到刚好击穿铝板填充结构，而不击穿性能优于它的其他防护结构的效果。此外，为了进一步对比较低速度下防护结构的性能差异，选用了另一组试验状态（撞击速度为3 km/s、弹丸直径为4.0 mm）。

试验主要采用的填充防护结构为BasaltKevlar填充结构、气凝胶玻纤填充结构、木层填充结构以及铝板填充结构，NextelKevlar 填充结构和玻璃钢填充结构仅以撞击速度为5 km/s试验状态下的试验结果作补充对比分析。以上6种填充防护结构实物见图2。

图2 试验采用的6种填充防护结构Fig.2 Six kindsof stuffed shieldsfor thetests

6种填充防护结构的特征尺寸一致，缓冲屏与填充层之间的距离为50 mm，缓冲屏与后墙之间的距离为100 mm，缓冲屏采用厚度为1.0 mm 的2A12铝板，后墙采用厚度为2.0 mm 的2A12铝板。填充层材料参数见表1，其中等效厚度依据面密度测算。

表1 防护结构填充层材料参数Table 1 The parametersof stuffed materials

2 试验结果与分析

2.1 防护结构后墙损伤情况

共开展了2种状态的超高速撞击试验：第1种试验状态下，铝球对防护结构的撞击速度相对较低，约为3 km/s；第2种试验状态下，铝球对防护结构的撞击速度相对较高，约为5 km/s。几种防护结构试验后的损伤情况见表2（表中：φ表示弹丸直径；v表示撞击速度）。

第1种试验状态下4种结构的后墙损伤情况见图3，其中：BasaltKevlar 填充结构和气凝胶玻纤填充结构的后墙被击穿，木层填充结构和铝板填充结构的后墙未被击穿；铝板填充结构后墙上出现氧化痕迹和微小鼓包；木层填充结构后墙上未出现鼓包，且后墙正面仅出现细微撞击痕迹。主要原因在于弹丸撞击缓冲屏产生的大部分碎片被木层阻挡并嵌在坍缩的木质纤维结构内部。比对结果表明：在较低撞击速度下，4种结构中防护性能最佳的是木层填充结构，铝板填充结构稍次之，BasaltKevlar 填充结构和气凝胶玻纤填充结构情况类似且最差。

表2 不同填充层材料对应的防护结构后墙损伤情况Table 2 The damage of rear wall for different kinds of stuffed shields

图3 较低撞击速度下4种结构后墙损伤情况Fig.3 The damage of four kindsof shields being impacted at lower velocities

为对比在更高撞击速度下这4种结构的防护性能差异，开展撞击速度约5 km/s状态下的超高速撞击试验，4种结构后墙损伤情况见图4。通过对比发现，4种结构的防护性能与较低撞击速度下明显不同，其中铝板填充结构后墙被击穿；BasaltKevlar填充结构和气凝胶玻纤填充结构后板未被击穿但背面出现鼓包变形；木层填充结构后板未被击穿，也无明显鼓包变形，只有几个小鼓包。比对结果表明：在较高撞击速度下，4种结构中防护性能最佳的依然是木层填充结构，BasaltKevlar 填充结构和气凝胶玻纤填充结构稍次之，但这3种结构的防护性能均显著优于铝板填充结构的。

图4 较高撞击速度下4种结构后墙损伤情况Fig.4 The damage of four kindsof shields being impacted at higher velocities

此外，为了对比上述填充防护结构与目前应用较为广泛的填充结构（NextelKevlar 纤维填充结构）和相对较重材质的填充结构（玻璃钢填充结构）间的防护性能差异，在较高撞击速度下，还进行了一组针对NextelKevlar 纤维填充结构和玻璃钢填充结构的试验，结果见图5。图4和图5显示：每种防护结构的后墙正面均有大量高温反应痕迹，其中木材、化纤等有机材料填充结构的为黑色碳化物，铝板填充结构的为白色重结晶或氧化物；几种防护结构后墙的损伤情况也不尽相同——NextelKevlar纤维填充结构的后板未被击穿且只有轻微的鼓包变形，与BasaltKevlar 填充结构和气凝胶玻纤填充结构的防护效果相似但略优于后两者，且明显优于玻璃钢填充结构和铝板填充结构的。

图5 较高撞击速度下2种结构后墙损伤情况[10]Fig.5 The damage of two kindsof shieldsbeing impacted at higher velocities

2.2 结果分析与讨论

撞击速度较低（约3 km/s）时，纤维布类（BasaltKevlar 和气凝胶玻纤）材料作为填充层的防护效果之所以明显低于板材类（木层和铝板）材料作为填充层的防护效果，可能是由于纤维类材料对碎片的破碎和反射作用低于板材类材料，撞击穿过缓冲屏的碎片经过填充层材料拦截后，依然存在一个尺寸较大、侵彻能力较强的碎片，这个碎片撞击到后墙则会导致撞击中心位置穿孔，见图3(a)和图3(b)以及图6。图6由中国空气动力研究与发展中心研制的超高速序列激光阴影成像仪拍摄，图中3层结构从左到右依次为缓冲屏、填充层和后墙。图6(a)和图6(b)显示未被填充层破碎充分的弹丸主体碎片击穿后墙。

图6 弹丸撞击填充结构产生的碎片云图像（φ=4.0 mm，v=3 km/s）Fig.6 The imagesof thedebriscloudscreated by impacted stuffed shields(φ=4.0 mm,v=3 km/s)

撞击速度较高（约5 km/s）时，纤维布类（BasaltKevlar、气凝胶玻纤、NextelKevlar）作为填充层的防护效果明显提升，而铝板填充结构的防护效果最差。其原因可能是弹丸在更高速度下撞击缓冲屏后被破碎得更加充分，此时填充层对大量小碎片的阻挡和能量转化作用的重要性开始凸显。纤维布类材料虽然破碎作用不强，但展示出良好的能量转化作用——摩擦使动能转化为热能，高温作用下金属流动性增强，使后墙发生塑性变形，产生一个具有单一最高点的大鼓包；该鼓包变形的高度和尺寸越小，表示碎片对后墙的撞击能量越低，意味着填充材料对撞击碎片的阻挡耗能作用也越强。单一鼓包变形最明显的是铝板填充结构，其次为玻璃钢填充结构，再次为BasaltKevlar 填充结构和气凝胶玻纤填充结构，最后为NextelKevlar 填充结构和木层填充结构。

值得注意的是，即使在较高撞击速度下，木层填充结构依然保持良好的防护效果。其原因可能在于木层是由木质纤维构成的多孔板材结构，同时具备纤维布类和板材类的优点，除了对撞击碎片有良好的破碎作用，还具有优异的阻挡和吸能作用。这一点从图3(c)和图4(c)中木层填充结构后墙正面和背面的损伤形态可以得到证实——后墙正面未出现明显的撞击坑，表示撞击穿过木层的碎片中无尺寸较大、侵彻能力较强的碎片；后墙背面未出现明显的鼓包变形，表示撞击穿过木层的碎片被阻拦较多，剩余碎片动能和转化而来的热能少，则黑色碳化物少，对后墙的冲击也不足以形成尺度较大的鼓包变形。

上述试验结果和分析表明，填充层材料主要通过2方面作用来提升结构的防护性能：一是对撞击穿过缓冲屏碎片的破碎作用，进一步减小了碎片尺寸，减弱了碎片对后墙的侵彻损伤；二是对撞击穿过缓冲屏碎片的阻挡吸能作用，进一步降低了碎片动能，减弱了碎片对后墙的冲击损伤。

3 设计建议

根据上述分析结果，针对实际应用需求，开展填充防护结构设计时可以从2个优化策略入手：当撞击穿过缓冲屏的碎片破碎程度较低时，为降低较大尺寸碎片对后墙的穿透损伤，填充层材料应以对撞击碎片的破碎作用为主，选用刚度较高的材料（如本文中的铝板甚至木层等）；当撞击穿过缓冲屏的碎片破碎程度较高时，为降低大量高动能小碎片对后墙的冲击损伤，填充层材料应以对撞击碎片的阻挡吸能作用为主，选用吸能效果好的多孔材料（如木层等）或纤维布类材料（如NextelKevlar、BasaltKevlar甚至气凝胶玻纤等）。一般而言，当小尺寸（mm 级）空间碎片撞击到航天器时，撞击的相对速度极高（平均超过10 km/s），撞击穿过防护结构缓冲屏的碎片破碎程度较高，降低碎片对后墙的冲击损伤更为重要，因此开展填充防护结构设计时应当优先选用吸能效果好的材料作为填充层。

4 结论及展望

本文通过几种不同填充层材料的防护结构后墙损伤情况对比发现：在撞击速度较高时，纤维布类（NextelKevlar、BasaltKevlar、气凝胶玻纤）填充结构和多孔材料类（木层）填充结构的防护性能较好，玻璃钢填充结构次之，但均优于面密度相同的铝板填充结构；在撞击速度较低时，除木层填充结构继续保持良好的防护性能外，纤维类布材料（BasaltKevlar 纤维和气凝胶玻纤）填充结构的性能反而变差，甚至低于面密度相同的铝板填充结构。

本文仅初步对比了不同填充层材料对结构防护性能的影响，提供了填充防护结构设计的优化思路。但防护结构所在的复杂空间碎片环境既有可能发生低速撞击又有可能发生高速撞击，故需考虑同时面对不同状况的综合防护能力，寻找综合防护性能更好的填充防护结构。因此，下一步还需开展更广泛撞击速度下的超高速撞击试验、填充层材料相关力学特征参数定量检测以及防护结构损伤关联分析等工作，以获得更为定量和精细的填充材料参数对防护结构性能的影响规律，探寻合理优化的组合材料填充结构。