铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布损伤分析.pdf

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1、第28卷第4期航天器环境工程2011年8月SPACECRAFTENVIRONMENTENGTNEER『NG323铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布损伤分析刘志勇1,2哈跃3，管公川页3庞宝君3(1．西北工业大学，西安710072；2．中国窄问技术研究院，北京100094；3．哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨150080)摘要：高强度、高模量纤维防护材料是航天器空间碎片超高速撞击防护结构材料的发展趋势之一。开展弹丸超高速撞击高强纤维材料时的损伤分析是空间碎片防护结构研究开发设计的重要环节。玄武岩纤维是近年来受到人们关注的一种高强度、高模量

2、纤维。文章对铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布的损伤特性进行了分析研究，观察到了弹丸前部的损伤形态。根据试验结果拟合得到了铝合金弹丸后部产生初始破坏的临界破碎速度方程。分析表明：在试验范围内，铝合金弹丸撞击玄武岩纤维布的临界破碎速度低于撞击铝合金板的，即玄武岩纤维布对铝合金弹丸的破碎能力优于铝合金板。关键词：铝合金弹丸；超高速撞击；玄武岩纤维布；临界破碎速度中图分类号：V520．7：0313，4文献标识码：A文章编号：1673-1379(2011)04-0323-06DoI：10．3969／j．issn．1673—1379．2011．

3、04．004O前言空间碎片是在人类航天活动中被遗弃在太空的废弃物，也称“空问垃圾”。随着人类航天活动日益频繁，在太空遗留的空间碎片越来越多。目前，毫米级以上的空间碎片数以亿计，总质量达到几千吨，其中尺寸大于5cm的空间碎片正以平均每年约数百块的速度在增加。国外已编目的在轨碎片总数已超过16000个，这些碎片直接威胁着航天活动的安全。对于微小空间碎片，航天器可以采取防护措施。国际空间站上安装了数百种专门用于抵御空间碎片撞击的防护结构，最大可抵御1cm大小的碎片撞击。空间碎片高速撞击防护研究目前已成为载人航天器和在轨长寿命航天器设计中至

4、关重要的环节。在空间碎片防护领域，已经开发并投入使用的防护结构中普遍采用了Nextel陶瓷纤维复合材料【1．21和Kevlar纤维复合材料[2-5]等轻质高强的纤维材料。采用轻质高强的纤维作为防护材料是防护结构发展的趋势之一。玄武岩纤维是近年来受到关注的一种高科技纤维。玄武岩纤维相比其他化学物质和矿物材料具有更高的化学稳定性和热稳定性，在耐高温、耐腐蚀性、隔热保温性及电绝缘性等方面具有优良的性能【6J。玄武岩纤维中的硅、铝氧化物通过氧原子连接形成连续的线性晶格使纤维具有较高的强度，其抗拉强度达4GPa，弹性模量可达110GPa。玄武

5、岩纤维的主要成分与多数型号的Nextel陶瓷纤维的主要成分相同，均为Si02和A1203等氧化物，故可称其为玄武岩陶瓷纤维。玄武岩纤维在航天器空间碎片防护结构中的应用前景已经受到人们的关注。目前，关于玄武岩纤维材料高速撞击条件下的冲击动力学特性研究较少，缺少比较成熟的理论分析方法，现阶段仍需要依据试验数据来建立与撞击损伤特性相关的经验方程。A．J．Piekutowski【7{J中提出了弹丸临界破碎速度的概念，根据试验结果得到了铝合金弹丸撞击铝合金靶板的临界破碎速度经验公式。本文利用二级轻气炮进行铝合金球形弹丸超高速撞击玄武岩纤维布的

6、损伤试验研究，分析了铝合金弹丸后部层裂损伤及整体破碎的损伤规律，建立了铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布的临界破碎速度经验公式；根据临界破碎速度曲线，比较了玄武岩纤维布与铝合金板的破碎弹丸能力。1铝合金弹丸撞击铝合金板的临界破碎速度A．J．Piekutowskit卜8J中提出了弹丸临界破碎收稿日期：2011-03．16：修回日期：2011—06．21基金项目：国防科工局空间碎片专项研究计划项目“高性能陶瓷纤维防护材料应用和防护结构研究”(项目编号：KJSP0202110)作者简介：刘志勇(1980--)，男，主要从事飞行器设计和航天器

7、空间碎片防护研究。E-mail：liuzhiyon91575@yahoo．com．c11。航天器环境工程第28卷速度的概念，描述了铝合金弹丸撞击铝合金靶板时，速度接近临界破碎速度情况下弹丸的多种特征。其中主要特征是铝合金弹丸后部表面内侧出现微裂纹区，微裂纹区中的材料密度减小，微裂纹区的材料层裂分离形成层裂壳，使弹丸后部的球面半径明显大于原始半径。认为弹丸后表面层裂壳的膨胀和裂开是弹丸破裂的初始标志，并将弹丸后表面的层裂壳已经膨胀但仍然保持完整的最高撞击速度定义为弹丸的临界破碎速度。通过x光照片确认铝合金弹丸后部球面半径是否增大，是判

8、断铝合金弹丸后部表面层裂壳是否膨胀的重要依据。A．JPiekutowski根据试验结果得到的牌号为2017的铝合金弹丸撞击铝合金靶板的临界破碎速度经验公式为”1v^=1．436(t／D)““3，(1)式中：K为铝合金弹丸临界破碎速度；