196 / 2019-09-08 13:41:44

波阻抗梯度材料加强型Whipple结构超高速撞击特性研究

空间碎片; 防护结构; 阻抗梯度材料; 防护性能

波阻抗梯度材料加强型Whipple结构具有优异的防护性能。本文的目的是研究除了具有高阻抗的迎撞击面在弹丸中产生更高的冲击压力和温升之外，影响波阻抗梯度材料防护性能的主要因素。本文提出了一种由铝合金表层和镁合金基底组成的波阻抗梯度防护屏，采用二级轻气炮在3~7km/s对Al/Mg波阻抗梯度材料加强型和铝合金Whipple结构进行了超高速撞击对比试验，获得了其撞击极限曲线，研究了超高速撞击防护屏穿孔、碎片云和后墙损伤特性。
与铝合金防护结构相比，Al/Mg结构的防护性能更加优异，其具有后墙损伤较轻微、碎片云扩散半角大和撞击坑细化程度高三个主要特征。由于两组试验均为铝-铝撞击事件，两种类型防护屏在相同撞击条件下具有相同的冲击波压力和能量。为了揭示Al/Mg结构具有优异防护性能的原因，本文开展了数值仿真、理论分析与计算，研究了冲击耦合过程、波传播特性和热力学状态等，结果表明：Al/Mg防护屏改变了冲击波的传播路径和时间，冲击波到达防护屏自由面的时间与铝合金相比大幅提升，使弹丸和防护屏材料有足够的时间破碎和温升，并且使弹丸碎片扩散的区域更广。多层裂现象提升了弹丸的破碎程度，使碎片云中心大碎片明显细化。此外，Al/Mg防护屏中的内能转化率远高于铝合金防护屏，表现出优异的动能耗散特性。
因此，除了在防护屏中采用高阻抗的迎撞击面来提升冲击压力和温升从而提升弹丸破碎程度之外，通过改变防护屏的波阻抗梯度特征，也能实现弹丸和防护屏碎片的细化，并且能够耗散更多的系统动能。波阻抗梯度材料为一种具有潜在应用前景的空间碎片防护屏材料。