管公順，曾　明，李航杰

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

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多層隔熱材料對填充式結(jié)構(gòu)高速撞擊損傷影響的實驗研究

管公順，曾明，李航杰

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

在填充式結(jié)構(gòu)中加入多層隔熱材料(MLI)，利用二級輕氣炮發(fā)射鋁球彈丸在真空環(huán)境下對其進(jìn)行高速撞擊實驗，獲得了MLI位于不同位置時的防護(hù)結(jié)構(gòu)損傷模式，研究MLI對填充式結(jié)構(gòu)高速撞擊損傷與防護(hù)特性的影響。結(jié)果表明：當(dāng)MLI位于首層薄鋁板前側(cè)時，薄鋁板穿孔尺寸增大，首層薄鋁板耗散彈丸撞擊動能的能力增強(qiáng)，有助于填充式結(jié)構(gòu)高速撞擊防護(hù)性能提高；當(dāng)MLI位于首層薄鋁板后側(cè)時，彈丸擊穿薄鋁板后次生碎片云團(tuán)的膨脹擴(kuò)散受到抑制，不利于填充式結(jié)構(gòu)高速撞擊防護(hù)性能提高；在相同撞擊條件下，當(dāng)MLI位于填充層前側(cè)時，填充層中心穿孔尺寸增大，當(dāng)MLI位于艙壁前側(cè)時，艙壁彈坑分布范圍減小。

多層隔熱材料；填充式結(jié)構(gòu)；高速撞擊；損傷；空間碎片

航天器在軌運(yùn)行的空間環(huán)境較為惡劣[1,2]，環(huán)境因素造成的材料疲勞損傷將影響航天器的運(yùn)行安全[3]。在太陽直射面，航天器表面溫度高達(dá)200℃，而在背對太陽光面，溫度又會降低至-180℃以下，為了保證航天器及其儀器設(shè)備能夠正常工作，需要在航天器表面覆蓋隔熱材料[4,5]。多層隔熱材料(Multi-layer Insulation,MLI)由多個反射層與間隔物迭合而成，具有較好的隔熱性能[6]，被廣泛用于包覆衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和艙外設(shè)備表面[7-9]。隨著空間碎片數(shù)量的急劇增加，在軌運(yùn)行航天器遭受空間碎片撞擊的風(fēng)險趨于增大[10]。航天器表面的MLI包覆層在起到隔熱作用的同時，對空間碎片高速撞擊航天器的損傷效應(yīng)也會產(chǎn)生一定影響[11]，因此，國內(nèi)外研究者相繼開展了空間碎片高速撞擊MLI的損傷與防護(hù)特性研究，Lambert等[12]通過實驗研究了MLI對高速撞擊粒子破碎效應(yīng)的影響，認(rèn)為MLI位于防護(hù)結(jié)構(gòu)首層板撞擊面時有助于高速撞擊使粒子破碎。黃潔等[13]針對帶MLI的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)開展了超高速撞擊實驗和數(shù)值模擬研究，獲得了帶MLI蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的彈道極限方程，計算了MLI作為防護(hù)材料時的2A12鋁板等效厚度。目前，填充式結(jié)構(gòu)防護(hù)空間碎片高速撞擊的有效性已得到實驗驗證[14,15]，然而，MLI作為隔熱材料對填充式結(jié)構(gòu)高速撞擊損傷與防護(hù)特性影響的耦合效應(yīng)研究相對較少。本工作以帶MLI的填充式結(jié)構(gòu)為研究對象，利用二級輕氣炮發(fā)射鋁球彈丸進(jìn)行高速撞擊實驗，獲取MLI處于不同位置時填充式結(jié)構(gòu)的高速撞擊損傷模式，研究MLI對填充式結(jié)構(gòu)高速撞擊損傷與防護(hù)特性的影響規(guī)律。

1　實驗材料與方法

實驗分別選用鋁網(wǎng)、玄武巖纖維布和薄鋁板作為填充層材料，首層及填充層2A12鋁板厚度均為0.5mm，艙壁是厚度為3mm的5A06鋁板，填充層鋁網(wǎng)和玄武巖纖維布面密度分別為0.134g/cm2和0.139g/cm2，與厚度為0.5mm的2A12鋁板面密度的相對偏差分別為-3.60%，0%?？偡雷o(hù)間距為100mm，填充式結(jié)構(gòu)的填充層前表面與首層薄鋁板的前表面相距50mm。多層隔熱材料(MLI)由雙面鍍鋁聚酯薄膜反射層和大網(wǎng)孔滌綸絲織網(wǎng)隔離層組成，采用1層反射層間隔1層隔離層的組合形式，共有11層聚酯薄膜和10層滌綸絲織網(wǎng)。其中，最外側(cè)聚酯薄膜每層厚度為20μm，中間聚酯薄膜每層厚度為10μm，滌綸絲織網(wǎng)每層厚度為100μm，MLI總面密度為0.0223g/cm2。實驗時，將MLI分別放置在填充式結(jié)構(gòu)的不同位置，研究MLI對填充式結(jié)構(gòu)高速撞擊損傷與防護(hù)特性的影響，實驗結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　實驗結(jié)構(gòu)示意圖　(a)MLI在首層鋁板前側(cè)；(b)MLI在首層鋁板后側(cè)；(c)MLI在填充層前側(cè)；(d)MLI在填充層后側(cè)；(e)MLI在艙壁前側(cè)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

實驗利用二級輕氣炮加速鋁球彈丸，一級驅(qū)動氣體是氮?dú)?，充氣壓力?～10MPa，二級驅(qū)動氣體是氫氣，充氣壓力為0.1MPa。選用2017鋁球彈丸模擬空間碎片，直徑為3.97mm，撞擊速率為3.00～4.65km/s，撞擊角為0°。利用氣動阻力實現(xiàn)彈托與彈丸分離，彈丸速率采用磁感應(yīng)方法測量，測量精度高于2%。靶艙內(nèi)壓力小于200Pa，環(huán)境溫度為室溫。

2　結(jié)果與分析

2.1實驗結(jié)果

本工作分別針對以鋁網(wǎng)、玄武巖纖維布和薄鋁板為填充材料的填充式結(jié)構(gòu)進(jìn)行高速正撞擊實驗，得到了填充式結(jié)構(gòu)具有不同填充介質(zhì)時的高速撞擊損傷模式，并對MLI處于不同位置時的首層薄鋁板、填充層及艙壁損傷結(jié)果進(jìn)行了比較，部分實驗結(jié)果如圖2～4所示。

鋁球彈丸高速正撞擊填充式結(jié)構(gòu)后，首層薄鋁板均為圓形穿孔，當(dāng)MLI位于首層薄鋁板前側(cè)時，首層薄鋁板穿孔邊緣不光滑。填充層均為撕裂中心大穿孔，且在中心穿孔周圍分布許多小穿孔。當(dāng)填充層為鋁網(wǎng)時，中心穿孔近似圓形，末層鋁網(wǎng)穿孔尺寸顯著增大，并出現(xiàn)較大拉伸翻邊。當(dāng)填充層為玄武巖纖維布時，首層纖維布穿孔近似圓形，末層纖維布穿孔近似方形。當(dāng)填充層為薄鋁板時，中心穿孔邊緣出現(xiàn)較大花瓣狀撕裂。艙壁損傷因MLI位置、填充層材料及撞擊速率的不同而有所區(qū)別，主要表現(xiàn)為成坑、鼓包和穿孔等破壞形式。

2.2MLI損傷

MLI的撞擊損傷形式與其所處位置有關(guān)，當(dāng)MLI位于首層薄鋁板前側(cè)時，MLI首層聚酯薄膜為圓形穿孔，MLI末層聚酯薄膜為不規(guī)則撕裂穿孔。當(dāng)MLI位于首層薄鋁板后側(cè)時，MLI首層聚酯薄膜為近似圓形穿孔，穿孔邊緣伴有細(xì)小裂紋，MLI末層聚酯薄膜為大花瓣狀撕裂穿孔。當(dāng)MLI位于填充層前側(cè)時，MLI首層聚酯薄膜中心為大花瓣狀撕裂穿孔，中心穿孔周圍分布許多小穿孔，MLI末層聚酯薄膜穿孔邊緣花瓣狀撕裂卷曲變形。當(dāng)MLI位于填充層后側(cè)時，MLI首末兩層聚酯薄膜均為大花瓣狀撕裂穿孔，且末層穿孔邊緣花瓣狀撕裂尺寸較大。當(dāng)MLI位于艙壁前側(cè)時，MLI首末兩層聚酯薄膜均為不規(guī)則撕裂穿孔，且首層穿孔邊緣撕裂尺寸較大。

圖2　MLI位于鋁網(wǎng)填充式結(jié)構(gòu)不同位置時的MLI(1)，鋁網(wǎng)(2)和艙壁(3)損傷　(a)MLI位于首層薄鋁板前側(cè)，撞擊速率3.17km/s；(b)MLI位于首層薄鋁板后側(cè)，撞擊速率3.16km/s；(c)MLI位于鋁網(wǎng)前側(cè)，撞擊速率3.16km/s；(d)MLI位于艙壁前側(cè)，撞擊速率3km/sFig.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

圖3　MLI位于玄武巖纖維布填充式結(jié)構(gòu)不同位置時的MLI(1)，玄武巖布(2)和艙壁(3)損傷　(a)MLI位于首層薄鋁板前側(cè)，撞擊速率3.09km/s；(b)MLI位于首層薄鋁板后側(cè)，撞擊速率3km/s；(c)MLI位于玄武巖布前側(cè)，撞擊速率3.09km/s；(d)MLI位于艙壁前側(cè)，撞擊速率3.09km/sFig.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

圖4　MLI位于鋁板填充式結(jié)構(gòu)不同位置時的MLI(1)，鋁板(2)和艙壁(3)損傷　(a)MLI位于首層薄鋁板前側(cè)，撞擊速率4.1km/s；(b)MLI位于首層薄鋁板后側(cè)，撞擊速率4.36km/s；(c)MLI位于中間薄鋁板前側(cè)，撞擊速率4.07km/s；(d)MLI位于艙壁前側(cè)，撞擊速率4.65km/sFig.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

2.3前板穿孔

2017年云南省環(huán)境公報顯示：全省環(huán)境空氣質(zhì)量平均優(yōu)良天數(shù)比例為98.2%，居全國第一；主要河流國控省控監(jiān)測斷面水質(zhì)優(yōu)良率為82.6%，主要出境、跨界河流斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為100%，九大高原湖泊水質(zhì)總體保持穩(wěn)定。

鋁球彈丸高速正撞擊薄鋁板穿孔尺寸與鋁板前的MLI有關(guān)，圖5給出了MLI處于薄鋁板前、后以及無MLI時，薄鋁板穿孔尺寸與撞擊速率的關(guān)系。由圖5可以看出，當(dāng)MLI處于薄鋁板前、后位置時，隨著撞擊速率的提高，薄鋁板穿孔尺寸均逐漸增大，且在撞擊條件相同的情況下，MLI位于薄鋁板前側(cè)時的撞擊穿孔尺寸明顯大于MLI位于薄鋁板后側(cè)和沒有MLI時的情況。同時發(fā)現(xiàn)，彈丸撞擊速率越大，MLI位于薄鋁板前側(cè)時的撞擊穿孔尺寸與其他兩種情況時的撞擊穿孔尺寸相差越顯著。這說明，當(dāng)MLI位于薄鋁板前側(cè)時，彈丸與MLI的初次撞擊使彈丸發(fā)生了一定程度的軸向壓縮變形，導(dǎo)致彈丸徑向尺寸增大，并出現(xiàn)破碎趨勢，從而造成薄鋁板撞擊穿孔尺寸增大。同時，由于彈丸破碎使薄鋁板穿孔邊緣出現(xiàn)不光滑現(xiàn)象，且撞擊速率越大，彈丸初次撞擊MLI后的徑向變形及擴(kuò)散效應(yīng)越明顯，薄鋁板的撞擊穿孔尺寸變化越大。

圖5　薄鋁板穿孔直徑與撞擊速率的關(guān)系Fig.5　Relationship between perforation diameter of Al-plate and impact velocity

2.4填充層損傷

填充式結(jié)構(gòu)中的填充層是用于進(jìn)一步破碎次生碎片粒子群中的大尺寸粒子、阻擋小尺寸粒子、降低碎片粒子群與艙壁的撞擊速率，并通過自身破壞耗散次生碎片粒子群的撞擊動能。圖6和圖7分別給出了鋁網(wǎng)、玄武巖纖維布和薄鋁板作為填充材料時的填充層損傷與MLI位置的關(guān)系，用于描述填充層撞擊損傷的參量為中心穿孔等效面積圓直徑DSC和小穿孔分布范圍直徑DS99。

由圖6可以看出，對于鋁網(wǎng)、玄武巖纖維布和薄鋁板填充層，當(dāng)撞擊速率分別為3.1km/s和4.3km/s左右時，在本實驗結(jié)構(gòu)設(shè)計的MLI的5個填充位置中，MLI位于填充層前側(cè)時的填充層中心穿孔尺寸最大，而MLI位于填充層后側(cè)和艙壁前側(cè)時的填充層中心穿孔尺寸變化較?。磺覍τ谙嗤腗LI位置，在相同撞擊條件下，鋁網(wǎng)填充層中心穿孔尺寸均大于玄武巖纖維布和薄鋁板填充層的中心穿孔尺寸。這說明，在本工作撞擊速率下，彈丸擊穿首層薄鋁板后發(fā)生了一定程度的破碎，形成由較大次生碎片組成的中心粒子群和由較小次生碎片組成的外圍飛濺粒子群，當(dāng)MLI位于填充層前側(cè)時，中心次生粒子群首先撞擊MLI，導(dǎo)致該粒子群在與MLI的撞擊過程中發(fā)生軸向壓縮變形，使其徑向尺寸增大，從而造成更大的填充層中心穿孔。

由圖7可以看出，對于鋁網(wǎng)、玄武巖纖維布和薄鋁板填充層，當(dāng)撞擊速率分別為3.1km/s和4.3km/s左右時，比較MLI在填充式結(jié)構(gòu)中不同位置時的情況發(fā)現(xiàn)，MLI位于首層薄鋁板前側(cè)時的填充層小穿孔分布范圍最大，MLI位于首層薄鋁板后側(cè)時的填充層小穿孔分布范圍最小。同時發(fā)現(xiàn)，對于相同的MLI位置，在相同撞擊條件下，玄武巖纖維布填充層上的小穿孔分布范圍大于鋁網(wǎng)填充層上的小穿孔分布范圍，這說明，當(dāng)MLI位于首層薄鋁板前側(cè)時，彈丸擊穿薄鋁板后產(chǎn)生了更大范圍的次生碎片粒子飛濺，次生碎片對填充層的撞擊影響范圍增大。當(dāng)MLI位于首層薄鋁板后側(cè)時，次生碎片粒子對填充層的撞擊影響范圍減小。

根據(jù)填充層損傷規(guī)律可知，MLI在填充式結(jié)構(gòu)中的位置不同，彈丸撞擊首層薄鋁板后所產(chǎn)生的次生碎片粒子群對填充層的撞擊損傷會有所區(qū)別。首層薄鋁板前的MLI使薄鋁板撞擊穿孔尺寸增大，產(chǎn)生了擴(kuò)展范圍更大的次生碎片，造成填充層小穿孔范圍增大。首層薄鋁板后側(cè)的MLI對鋁球彈丸擊穿首層薄鋁板后產(chǎn)生的次生碎片粒子擴(kuò)散具有阻擋作用，使填充層小穿孔分布范圍減小。填充層前側(cè)的MLI對次生碎片粒子群的再次沖擊壓縮和破碎使中心次生碎片粒子群與填充層的作用面積增大，在該次生碎片粒子群撞擊動能足夠大的情況下，造成填充層更大的中心穿孔。而當(dāng)MLI位于填充層后側(cè)及艙壁前側(cè)時，填充層損傷已不再受MLI的影響。

圖6　填充層中心穿孔尺寸與MLI位置的關(guān)系　(a)撞擊速率為3.1km/s左右；(b)撞擊速率為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

圖7　填充層小穿孔分布范圍與MLI位置的關(guān)系　(a)撞擊速率為3.1km/s左右；(b)撞擊速率為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

2.5艙壁損傷

由圖8(a)，(b)可以看出，當(dāng)撞擊速率分別為3.1km/s和4.3km/s左右時，對于本工作選用的填充式結(jié)構(gòu)，MLI位于首層薄鋁板后側(cè)時的艙壁穿孔尺寸和艙壁鼓包高度最大，MLI位于首層薄鋁板前側(cè)時的艙壁穿孔尺寸和艙壁鼓包高度最小。這說明，在相同撞擊條件下，與MLI位于首層薄鋁板后側(cè)時的情況相比，MLI位于首層薄鋁板前側(cè)時的艙壁損傷減輕，即當(dāng)MLI位于首層薄鋁板前側(cè)時，填充式結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能提高。

由圖9可以看出，當(dāng)撞擊速率分別為3.1km/s和4.3km/s左右時，對于本工作選用的填充式結(jié)構(gòu)，MLI位于首層薄鋁板前側(cè)時的艙壁彈坑分布范圍最大，MLI位于艙壁前側(cè)時的艙壁彈坑分布范圍最小，且隨著MLI在填充式結(jié)構(gòu)中位置的后移，艙壁彈坑分布范圍呈減小趨勢。同時比較發(fā)現(xiàn)，對于相同的MLI位置和撞擊條件，鋁網(wǎng)填充式結(jié)構(gòu)的艙壁彈坑分布范圍最大。這說明，位于首層薄鋁板前側(cè)的MLI促進(jìn)了彈丸擊穿首層薄鋁板后次生小碎片粒子的橫向飛濺擴(kuò)散，增大了次生碎片和再生碎片對填充層與艙壁的撞擊影響區(qū)域。同時，艙壁前側(cè)的MLI有效阻擋了外圍飛濺小碎片粒子對艙壁的撞擊，使艙壁撞擊面上小碎片撞擊影響區(qū)域減小。另外，由于MLI作為多層組合介質(zhì)對微小碎片具有一定的阻擋作用，隨著撞擊次數(shù)的增多，彈丸破碎更加細(xì)化，因此，MLI位置后移使更多微小碎片被阻擋吸收，有利于減小艙壁撞擊影響范圍。當(dāng)填充層為鋁網(wǎng)時，由于網(wǎng)孔較大，可允許更多的微小碎片穿過，使艙壁撞擊影響范圍擴(kuò)大。

圖8　艙壁穿孔尺寸、鼓包高度與MLI位置的關(guān)系　(a)撞擊速率為3.1km/s左右；(b)撞擊速率為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

圖9　艙壁彈坑分布范圍與MLI位置的關(guān)系　(a)撞擊速率為3.1km/s左右；(b)撞擊速率為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

根據(jù)艙壁損傷規(guī)律可知，MLI在填充式結(jié)構(gòu)中的位置不同，彈丸擊穿首層薄鋁板和填充層后對艙壁的撞擊損傷存在差異。首層薄鋁板前的MLI可增強(qiáng)首層薄鋁板對彈丸的初次破碎能力，加劇對彈丸撞擊動能的耗散，使撞擊艙壁的碎片粒子群動能減弱和分散，從而減輕對艙壁的撞擊損傷。首層薄鋁板后側(cè)的MLI抑制了彈丸擊穿首層薄鋁板后所產(chǎn)生的次生碎片粒子群的膨脹擴(kuò)散效應(yīng)，使中心碎片粒子群對艙壁的撞擊集中在撞擊軸線附近，撞擊動能更加集中，從而加重了對艙壁的撞擊損傷。當(dāng)MLI分別位于填充層前、填充層后和艙壁前時，MLI所受到的均為次生或再生碎片粒子群的撞擊，MLI對微小粒子的阻擋作用更加明顯，而對艙壁撞擊中心的損傷影響不顯著。

3　結(jié)論

(1)當(dāng)MLI位于首層薄鋁板前側(cè)時，薄鋁板穿孔尺寸增大，首層薄鋁板初次破碎彈丸及耗散彈丸撞擊動能的能力增強(qiáng)，有助于提高填充式結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能。

(2)當(dāng)MLI位于首層薄鋁板后側(cè)時，彈丸擊穿薄鋁板后次生碎片粒子群的膨脹擴(kuò)散受到抑制，不利于提高填充式結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護(hù)性能。

(3)在相同撞擊條件下，當(dāng)MLI位于填充層前側(cè)時，填充層中心穿孔尺寸增大；當(dāng)MLI位于艙壁前側(cè)時，艙壁彈坑分布范圍減小。

[1]高禹, 王釗, 陸春, 等. 高性能樹脂基復(fù)合材料典型空天環(huán)境下動態(tài)力學(xué)行為研究現(xiàn)狀[J]. 材料工程, 2015, 43(3): 106-112.

GAO Y, WANG Z, LU C, et al. State of arts of the dynamic mechanical behaviors of high performance polymer composites in typical aerospace environments[J]. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(3): 106-112.

[2]沈自才, 邱家穩(wěn), 丁義剛, 等. 航天器空間多因素環(huán)境協(xié)同效應(yīng)研究[J]. 中國空間科學(xué)技術(shù), 2012, (5): 54-60.

SHEN Z C, QIU J W, DING Y G, et al. Space environment synergistic effect on spacecraft[J]. Chinese Space Science and Technology, 2012, (5): 54-60.

[3]馬少華, 回麗, 周松, 等. 腐蝕環(huán)境對預(yù)腐蝕鋁合金腐蝕疲勞性能的影響[J]. 材料工程, 2015, 43(2): 91-95.

MA S H, HUI L, ZHOU S, et al. Influence of corrosion environments on corrosion fatigue property of pre-corroded aluminum alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(2): 91-95.

[4]PALMIERI D, LAMBERT M, MENDOZA M. Effect of multi-layer insulation on top of spacecraft meteoroids/debris shields: prediction of the automated transfer vehicle pressure module ballistic limit[J]. International Journal of Impact Engineering, 2003, 29(1-10): 537-548.

[5]WHITE D M, WICKLEIN M, CLEGG R A, et al. Multi-layer insulation material models suitable for hypervelocity impact simulations[J]. International Journal of Impact Engineering, 2008, 35(12): 1853-1860.

[6]李永春, 劉強(qiáng), 馬洪炯, 等. 真空環(huán)境中多層隔熱材料的隔熱性能[J]. 宇航材料工藝, 2012, (4): 90-92.

LI Y C, LIU Q, MA H J, et al. Thermal properties of multi-layer insulation materials in vacuum[J]. Aerospace Materials & Technology, 2012, (4): 90-92.

[7]江經(jīng)善. 多層隔熱材料及其在航天器上的應(yīng)用[J]. 宇航材料工藝, 2000, (4): 17-25.

JIANG J S. Multi-layer insulation materials and their application to spacecrafts[J]. Aerospace Materials & Technology, 2000, (4): 17-25.

[8]STADERMANN F J, HEISS C H, REICHLING M. Evaluation of impact craters on solar cell samples and thermal MLI blankets[J]. Advances in Space Research, 1997, 20(8): 1517-1521.

[9]TURNER R J, TAYLOR E A, McDONNELL J A M, et al. Cost effective honeycomb and multi-layer insulation debris shield for unmanned spacecraft[J]. International Journal of Impact Engineering, 2001, 26(1-10): 785-796.

[10]KLINKRAD H. Collision risk analysis for low Earth orbits[J]. Advances in Space Research, 1993, 13(8): 177-186.

[11]韓海鷹, 黃家榮, 程文龍, 等. MLI碎片防護(hù)能力增強(qiáng)措施對隔熱性能的影響[J].宇航學(xué)報, 2010, 31(1): 259-263.

HAN H Y, HUANG J R, CHENG W L, et al. The influence of debris shield enhancement on thermal insulation performance of MLI[J]. Journal of Astronautics, 2010, 31(1): 259-263.

[12]LAMBERT M， SCHAEFER F， GEYER T. Impact damage on sandwich panels and multi-layer insulation[J]. Internatinal Journal of Impact Engineering, 2001,26(1-10):369-380.

[13]黃潔, 馬兆俠, 蘭勝威, 等. 帶隔熱層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的超高速撞擊特性研究[J]. 宇航學(xué)報, 2010, 31(8):2043-2049.

HUANG J, MA Z X, LAN S W, et al. Study on hypervelocity impact characteristics for honeycomb sandwich with multi-layer insulation[J]. Journal of Astronautics, 2010, 31(8): 2043-2049.

[14]CHRISTIANSEN E L, CREWS J I, WILLIAMSEN J E, et al. Enhanced meteoroid and orbital debris shielding[J]. International Journal of Impact Engineering, 1995, 17(1-3): 217-228.

[15]管公順, 陳禮文, 王少恒, 等. 不銹鋼網(wǎng)/鋁板多沖擊防護(hù)屏高速撞擊防護(hù)性能實驗研究[J]. 高壓物理學(xué)報, 2012, 26(2): 127-134.

GUAN G S, CHEN L W, WANG S H, et al. Experimental investigation on resist capability of stainless steel mesh/Al multi-shock shield by high-velocity impact[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2012, 26(2): 127-134.

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)

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.

multi-layer insulation;stuffed shield;high-velocity impact;damage;space debris

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.09.015

V423.4+1;O347

A

1001-4381(2016)09-0096-07

國家自然科學(xué)基金資助項目(11172083)

2015-07-20；

2016-06-23

管公順(1969-)，男，博士，教授，主要從事航天器材料與結(jié)構(gòu)的高速撞擊損傷評價及防護(hù)技術(shù)研究，聯(lián)系地址：黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)一匡街2號哈爾濱工業(yè)大學(xué)科學(xué)園3020信箱(150080)，E-mail: hitggsh@163.com