材料工程  2016, Vol. 44 Issue (9): 96-102   PDF    
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2016.09.015
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管公顺, 曾明, 李航杰
GUAN Gong-shun, ZENG Ming, LI Hang-jie
多层隔热材料对填充式结构高速撞击损伤影响的实验研究
Experimental Investigation of Multi-layer Insulation Effect on Damage of Stuffed Shield by High-velocity Impact
材料工程, 2016, 44(9): 96-102
Journal of Materials Engineering, 2016, 44(9): 96-102.
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2016.09.015

文章历史

收稿日期: 2015-07-20
修订日期: 2016-06-23
多层隔热材料对填充式结构高速撞击损伤影响的实验研究
管公顺 , 曾明, 李航杰    
哈尔滨工业大学 航天学院, 哈尔滨 150080
摘要: 在填充式结构中加入多层隔热材料(MLI),利用二级轻气炮发射铝球弹丸在真空环境下对其进行高速撞击实验,获得了MLI位于不同位置时的防护结构损伤模式,研究MLI对填充式结构高速撞击损伤与防护特性的影响。结果表明:当MLI位于首层薄铝板前侧时,薄铝板穿孔尺寸增大,首层薄铝板耗散弹丸撞击动能的能力增强,有助于填充式结构高速撞击防护性能提高;当MLI位于首层薄铝板后侧时,弹丸击穿薄铝板后次生碎片云团的膨胀扩散受到抑制,不利于填充式结构高速撞击防护性能提高;在相同撞击条件下,当MLI位于填充层前侧时,填充层中心穿孔尺寸增大,当MLI位于舱壁前侧时,舱壁弹坑分布范围减小。
关键词: 多层隔热材料    填充式结构    高速撞击    损伤    空间碎片   
Experimental Investigation of Multi-layer Insulation Effect on Damage of Stuffed Shield by High-velocity Impact
GUAN Gong-shun , ZENG Ming, LI Hang-jie    
School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China
Abstract: The stuffed shield with multi-layer insulation(MLI) was designed by improving on Al Whipple shield, and a series of high-velocity impact tests were practiced with a two-stage light gas gun facility at vacuum environment. The damage model of the stuffed shield with different MLI location by Al-sphere projectile impacting was obtained. The effect of MLI on damage of the stuffed shield by high-velocity impact was studied. The results indicate when the MLI is located at front side of the first Al-plate, the protection performance of the stuffed shield is improved with the larger perforation diameter of the first Al-plate and more impact kinetic energy dissipation of the projectile. When MLI is arranged at back side of the first Al-plate, the expansion of the secondary debris cloud from projectile impacting the first Al-plate is restrained, it is not good to improve the protection performance of the stuffed shield. When MLI is arranged at front side of the stuffed wall, the perforation size of the stuffed wall increases; when MLI is arranged at front side of the rear wall, the distribution range of crater on the rear wall decreases.
Key words: multi-layer insulation    stuffed shield    high-velocity impact    damage    space debris   

航天器在轨运行的空间环境较为恶劣[1, 2],环境因素造成的材料疲劳损伤将影响航天器的运行安全[3]。在太阳直射面,航天器表面温度高达200℃,而在背对太阳光面,温度又会降低至-180℃以下,为了保证航天器及其仪器设备能够正常工作,需要在航天器表面覆盖隔热材料[4, 5]。多层隔热材料(Multi-layer Insulation, MLI)由多个反射层与间隔物迭合而成,具有较好的隔热性能[6],被广泛用于包覆卫星结构和舱外设备表面[7-9]。随着空间碎片数量的急剧增加,在轨运行航天器遭受空间碎片撞击的风险趋于增大[10]。航天器表面的MLI包覆层在起到隔热作用的同时,对空间碎片高速撞击航天器的损伤效应也会产生一定影响[11],因此,国内外研究者相继开展了空间碎片高速撞击MLI的损伤与防护特性研究,Lambert等[12]通过实验研究了MLI对高速撞击粒子破碎效应的影响,认为MLI位于防护结构首层板撞击面时有助于高速撞击使粒子破碎。黄洁等[13]针对带MLI的蜂窝夹层结构开展了超高速撞击实验和数值模拟研究,获得了带MLI蜂窝夹层结构的弹道极限方程,计算了MLI作为防护材料时的2A12铝板等效厚度。目前,填充式结构防护空间碎片高速撞击的有效性已得到实验验证[14, 15],然而,MLI作为隔热材料对填充式结构高速撞击损伤与防护特性影响的耦合效应研究相对较少。本工作以带MLI的填充式结构为研究对象,利用二级轻气炮发射铝球弹丸进行高速撞击实验,获取MLI处于不同位置时填充式结构的高速撞击损伤模式,研究MLI对填充式结构高速撞击损伤与防护特性的影响规律。

1 实验材料与方法

实验分别选用铝网、玄武岩纤维布和薄铝板作为填充层材料,首层及填充层2A12铝板厚度均为0.5mm,舱壁是厚度为3mm的5A06铝板,填充层铝网和玄武岩纤维布面密度分别为0.134g/cm2和0.139g/cm2,与厚度为0.5mm的2A12铝板面密度的相对偏差分别为-3.60%,0%。总防护间距为100mm,填充式结构的填充层前表面与首层薄铝板的前表面相距50mm。多层隔热材料(MLI)由双面镀铝聚酯薄膜反射层和大网孔涤纶丝织网隔离层组成,采用1层反射层间隔1层隔离层的组合形式,共有11层聚酯薄膜和10层涤纶丝织网。其中,最外侧聚酯薄膜每层厚度为20μm,中间聚酯薄膜每层厚度为10μm,涤纶丝织网每层厚度为100μm,MLI总面密度为0.0223g/cm2。实验时,将MLI分别放置在填充式结构的不同位置,研究MLI对填充式结构高速撞击损伤与防护特性的影响,实验结构如图 1所示。

图 1 实验结构示意图 (a)MLI在首层铝板前侧;(b)MLI在首层铝板后侧;(c)MLI在填充层前侧;(d)MLI在填充层后侧;(e)MLI在舱壁前侧 Fig. 1 Shield configuration diagram in the experiment (a)MLI is located at front side of the first wall; (b)MLI is located at back side of the first wall; (c)MLI is located at front side of the stuffed wall; (d)MLI is located at back side of the stuffed wall; (e)MLI is located at front side of the rear wall

实验利用二级轻气炮加速铝球弹丸,一级驱动气体是氮气,充气压力为5~10MPa,二级驱动气体是氢气,充气压力为0.1MPa。选用2017铝球弹丸模拟空间碎片,直径为3.97mm,撞击速率为3.00~4.65km/s,撞击角为0°。利用气动阻力实现弹托与弹丸分离,弹丸速率采用磁感应方法测量,测量精度高于2%。靶舱内压力小于200Pa,环境温度为室温。

2 结果与分析 2.1 实验结果

本工作分别针对以铝网、玄武岩纤维布和薄铝板为填充材料的填充式结构进行高速正撞击实验,得到了填充式结构具有不同填充介质时的高速撞击损伤模式,并对MLI处于不同位置时的首层薄铝板、填充层及舱壁损伤结果进行了比较,部分实验结果如图 2~4所示。

图 2 MLI位于铝网填充式结构不同位置时的MLI(1),铝网(2)和舱壁(3)损伤 (a)MLI位于首层薄铝板前侧,撞击速率3.17km/s;(b)MLI位于首层薄铝板后侧,撞击速率3.16km/s;(c)MLI位于铝网前侧,撞击速率3.16km/s;(d)MLI位于舱壁前侧,撞击速率3km/s Fig. 2 Damage of MLI(1), Al-mesh(2)and rear wall(3)of Al-mesh stuffed shield with different MLI locations (a)MLI is located at front side of the first wall, impact velocity 3.17km/s; (b)MLI is located at back side of the first wall, impact velocity 3.16km/s; (c)MLI is located at front side of the Al-mesh, impact velocity 3.16km/s; (d)MLI is located at front side of the rear wall, impact velocity 3km/s
图 3 MLI位于玄武岩纤维布填充式结构不同位置时的MLI(1),玄武岩布(2)和舱壁(3)损伤 (a)MLI位于首层薄铝板前侧,撞击速率3.09km/s;(b)MLI位于首层薄铝板后侧,撞击速率3km/s;(c)MLI位于玄武岩布前侧,撞击速率3.09km/s;(d)MLI位于舱壁前侧,撞击速率3.09km/s Fig. 3 Damage of MLI(1), basalt fiber cloth(2)and rear wall(3) of basalt fiber cloth stuffed shield with different MLI locations (a)MLI is located at front side of the first wall, impact velocity 3.09km/s; (b)MLI is located at back side of the first wall, impact velocity 3km/s; (c)MLI is located at front side of the basalt fiber cloth, impact velocity 3.09km/s; (d)MLI is located at front side of the rear wall, impact velocity 3.09km/s
图 4 MLI位于铝板填充式结构不同位置时的MLI(1),铝板(2)和舱壁(3)损伤 (a)MLI位于首层薄铝板前侧,撞击速率4.1km/s;(b)MLI位于首层薄铝板后侧,撞击速率4.36km/s;(c)MLI位于中间薄铝板前侧,撞击速率4.07km/s;(d)MLI位于舱壁前侧,撞击速率4.65km/s Fig. 4 Damage of MLI(1), Al-plate(2) and rear wall(3)of Al-plate stuffed shield with different MLI locations (a)MLI is located at front side of the first wall, impact velocity 4.1km/s; (b)MLI is located at back side of the first wall, impact velocity 4.36km/s; (c)MLI is located at front side of the middle Al-plate, impact velocity 4.07km/s; (d)MLI is located at front side of the rear wall, impact velocity 4.65km/s

铝球弹丸高速正撞击填充式结构后,首层薄铝板均为圆形穿孔,当MLI位于首层薄铝板前侧时,首层薄铝板穿孔边缘不光滑。填充层均为撕裂中心大穿孔,且在中心穿孔周围分布许多小穿孔。当填充层为铝网时,中心穿孔近似圆形,末层铝网穿孔尺寸显著增大,并出现较大拉伸翻边。当填充层为玄武岩纤维布时,首层纤维布穿孔近似圆形,末层纤维布穿孔近似方形。当填充层为薄铝板时,中心穿孔边缘出现较大花瓣状撕裂。舱壁损伤因MLI位置、填充层材料及撞击速率的不同而有所区别,主要表现为成坑、鼓包和穿孔等破坏形式。

2.2 MLI损伤

MLI的撞击损伤形式与其所处位置有关,当MLI位于首层薄铝板前侧时,MLI首层聚酯薄膜为圆形穿孔,MLI末层聚酯薄膜为不规则撕裂穿孔。当MLI位于首层薄铝板后侧时,MLI首层聚酯薄膜为近似圆形穿孔,穿孔边缘伴有细小裂纹,MLI末层聚酯薄膜为大花瓣状撕裂穿孔。当MLI位于填充层前侧时,MLI首层聚酯薄膜中心为大花瓣状撕裂穿孔,中心穿孔周围分布许多小穿孔,MLI末层聚酯薄膜穿孔边缘花瓣状撕裂卷曲变形。当MLI位于填充层后侧时,MLI首末两层聚酯薄膜均为大花瓣状撕裂穿孔,且末层穿孔边缘花瓣状撕裂尺寸较大。当MLI位于舱壁前侧时,MLI首末两层聚酯薄膜均为不规则撕裂穿孔,且首层穿孔边缘撕裂尺寸较大。

2.3 前板穿孔

铝球弹丸高速正撞击薄铝板穿孔尺寸与铝板前的MLI有关,图 5给出了MLI处于薄铝板前、后以及无MLI时,薄铝板穿孔尺寸与撞击速率的关系。由图 5可以看出,当MLI处于薄铝板前、后位置时,随着撞击速率的提高,薄铝板穿孔尺寸均逐渐增大,且在撞击条件相同的情况下,MLI位于薄铝板前侧时的撞击穿孔尺寸明显大于MLI位于薄铝板后侧和没有MLI时的情况。同时发现,弹丸撞击速率越大,MLI位于薄铝板前侧时的撞击穿孔尺寸与其他两种情况时的撞击穿孔尺寸相差越显著。这说明,当MLI位于薄铝板前侧时,弹丸与MLI的初次撞击使弹丸发生了一定程度的轴向压缩变形,导致弹丸径向尺寸增大,并出现破碎趋势,从而造成薄铝板撞击穿孔尺寸增大。同时,由于弹丸破碎使薄铝板穿孔边缘出现不光滑现象,且撞击速率越大,弹丸初次撞击MLI后的径向变形及扩散效应越明显,薄铝板的撞击穿孔尺寸变化越大。

图 5 薄铝板穿孔直径与撞击速率的关系 Fig. 5 Relationship between perforation diameter of Al-plate and impact velocity
2.4 填充层损伤

填充式结构中的填充层是用于进一步破碎次生碎片粒子群中的大尺寸粒子、阻挡小尺寸粒子、降低碎片粒子群与舱壁的撞击速率,并通过自身破坏耗散次生碎片粒子群的撞击动能。图 6图 7分别给出了铝网、玄武岩纤维布和薄铝板作为填充材料时的填充层损伤与MLI位置的关系,用于描述填充层撞击损伤的参量为中心穿孔等效面积圆直径DSC和小穿孔分布范围直径DS99

图 6 填充层中心穿孔尺寸与MLI位置的关系 (a)撞击速率为3.1km/s左右;(b)撞击速率为4.3km/s左右 Fig. 6 Relationship between the center perforation diameter of the stuffed wall and MLI location (a)impact velocity is about 3.1km/s; (b)impact velocity is about 4.3km/s
图 7 填充层小穿孔分布范围与MLI位置的关系 (a)撞击速率为3.1km/s左右;(b)撞击速率为4.3km/s左右 Fig. 7 Relationship between the small perforation range on the stuffed wall and MLI location (a)impact velocity is about 3.1km/s; (b)impact velocity is about 4.3km/s

图 6可以看出,对于铝网、玄武岩纤维布和薄铝板填充层,当撞击速率分别为3.1km/s和4.3km/s左右时,在本实验结构设计的MLI的5个填充位置中,MLI位于填充层前侧时的填充层中心穿孔尺寸最大,而MLI位于填充层后侧和舱壁前侧时的填充层中心穿孔尺寸变化较小;且对于相同的MLI位置,在相同撞击条件下,铝网填充层中心穿孔尺寸均大于玄武岩纤维布和薄铝板填充层的中心穿孔尺寸。这说明,在本工作撞击速率下,弹丸击穿首层薄铝板后发生了一定程度的破碎,形成由较大次生碎片组成的中心粒子群和由较小次生碎片组成的外围飞溅粒子群,当MLI位于填充层前侧时,中心次生粒子群首先撞击MLI,导致该粒子群在与MLI的撞击过程中发生轴向压缩变形,使其径向尺寸增大,从而造成更大的填充层中心穿孔。

图 7可以看出,对于铝网、玄武岩纤维布和薄铝板填充层,当撞击速率分别为3.1km/s和4.3km/s左右时,比较MLI在填充式结构中不同位置时的情况发现,MLI位于首层薄铝板前侧时的填充层小穿孔分布范围最大,MLI位于首层薄铝板后侧时的填充层小穿孔分布范围最小。同时发现,对于相同的MLI位置,在相同撞击条件下,玄武岩纤维布填充层上的小穿孔分布范围大于铝网填充层上的小穿孔分布范围,这说明,当MLI位于首层薄铝板前侧时,弹丸击穿薄铝板后产生了更大范围的次生碎片粒子飞溅,次生碎片对填充层的撞击影响范围增大。当MLI位于首层薄铝板后侧时,次生碎片粒子对填充层的撞击影响范围减小。

根据填充层损伤规律可知,MLI在填充式结构中的位置不同,弹丸撞击首层薄铝板后所产生的次生碎片粒子群对填充层的撞击损伤会有所区别。首层薄铝板前的MLI使薄铝板撞击穿孔尺寸增大,产生了扩展范围更大的次生碎片,造成填充层小穿孔范围增大。首层薄铝板后侧的MLI对铝球弹丸击穿首层薄铝板后产生的次生碎片粒子扩散具有阻挡作用,使填充层小穿孔分布范围减小。填充层前侧的MLI对次生碎片粒子群的再次冲击压缩和破碎使中心次生碎片粒子群与填充层的作用面积增大,在该次生碎片粒子群撞击动能足够大的情况下,造成填充层更大的中心穿孔。而当MLI位于填充层后侧及舱壁前侧时,填充层损伤已不再受MLI的影响。

2.5 舱壁损伤

舱壁的损伤来自弹丸击穿首层薄铝板及填充层所产生的再生碎片粒子群的撞击,MLI在填充式结构中的位置不同,撞击造成的舱壁损伤存在一定差异。图 8图 9分别给出了以铝网、玄武岩纤维布和薄铝板作为填充介质的填充式结构受到铝球弹丸高速撞击时的舱壁损伤与MLI位置的关系。用于描述舱壁撞击损伤的参量为穿孔等效面积圆直径DRC、舱壁背面最大鼓包高度HRC以及弹坑分布范围直径DR99

图 8 舱壁穿孔尺寸、鼓包高度与MLI位置的关系 (a)撞击速率为3.1km/s左右;(b)撞击速率为4.3km/s左右 Fig. 8 Relationship between perforation size, bulge height of rear wall and MLI location (a)impact velocity is about 3.1km/s; (b)impact velocity is about 4.3km/s
图 9 舱壁弹坑分布范围与MLI位置的关系 (a)撞击速率为3.1km/s左右;(b)撞击速率为4.3km/s左右 Fig. 9 Relationship between small crater range on the rear wall and MLI location (a)impact velocity is about 3.1km/s; (b)impact velocity is about 4.3km/s

图 8(a)(b)可以看出,当撞击速率分别为3.1km/s和4.3km/s左右时,对于本工作选用的填充式结构,MLI位于首层薄铝板后侧时的舱壁穿孔尺寸和舱壁鼓包高度最大,MLI位于首层薄铝板前侧时的舱壁穿孔尺寸和舱壁鼓包高度最小。这说明,在相同撞击条件下,与MLI位于首层薄铝板后侧时的情况相比,MLI位于首层薄铝板前侧时的舱壁损伤减轻,即当MLI位于首层薄铝板前侧时,填充式结构的高速撞击防护性能提高。

图 9可以看出,当撞击速率分别为3.1km/s和4.3km/s左右时,对于本工作选用的填充式结构,MLI位于首层薄铝板前侧时的舱壁弹坑分布范围最大,MLI位于舱壁前侧时的舱壁弹坑分布范围最小,且随着MLI在填充式结构中位置的后移,舱壁弹坑分布范围呈减小趋势。同时比较发现,对于相同的MLI位置和撞击条件,铝网填充式结构的舱壁弹坑分布范围最大。这说明,位于首层薄铝板前侧的MLI促进了弹丸击穿首层薄铝板后次生小碎片粒子的横向飞溅扩散,增大了次生碎片和再生碎片对填充层与舱壁的撞击影响区域。同时,舱壁前侧的MLI有效阻挡了外围飞溅小碎片粒子对舱壁的撞击,使舱壁撞击面上小碎片撞击影响区域减小。另外,由于MLI作为多层组合介质对微小碎片具有一定的阻挡作用,随着撞击次数的增多,弹丸破碎更加细化,因此,MLI位置后移使更多微小碎片被阻挡吸收,有利于减小舱壁撞击影响范围。当填充层为铝网时,由于网孔较大,可允许更多的微小碎片穿过,使舱壁撞击影响范围扩大。

根据舱壁损伤规律可知,MLI在填充式结构中的位置不同,弹丸击穿首层薄铝板和填充层后对舱壁的撞击损伤存在差异。首层薄铝板前的MLI可增强首层薄铝板对弹丸的初次破碎能力,加剧对弹丸撞击动能的耗散,使撞击舱壁的碎片粒子群动能减弱和分散,从而减轻对舱壁的撞击损伤。首层薄铝板后侧的MLI抑制了弹丸击穿首层薄铝板后所产生的次生碎片粒子群的膨胀扩散效应,使中心碎片粒子群对舱壁的撞击集中在撞击轴线附近,撞击动能更加集中,从而加重了对舱壁的撞击损伤。当MLI分别位于填充层前、填充层后和舱壁前时,MLI所受到的均为次生或再生碎片粒子群的撞击,MLI对微小粒子的阻挡作用更加明显,而对舱壁撞击中心的损伤影响不显著。

3 结论

(1)当MLI位于首层薄铝板前侧时,薄铝板穿孔尺寸增大,首层薄铝板初次破碎弹丸及耗散弹丸撞击动能的能力增强,有助于提高填充式结构的高速撞击防护性能。

(2)当MLI位于首层薄铝板后侧时,弹丸击穿薄铝板后次生碎片粒子群的膨胀扩散受到抑制,不利于提高填充式结构的高速撞击防护性能。

(3)在相同撞击条件下,当MLI位于填充层前侧时,填充层中心穿孔尺寸增大;当MLI位于舱壁前侧时,舱壁弹坑分布范围减小。

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