張品亮，曹 燕，陳 川，宋光明，武 強(qiáng)，李 宇，龔自正，李 明

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094）

微流星體和空間碎片與航天器發(fā)生碰撞的平均速度高達(dá)7 km/s，對(duì)在軌航天器造成了嚴(yán)重威脅。為了應(yīng)對(duì)這一威脅，通常通過(guò)加裝Whipple 結(jié)構(gòu)的方式對(duì)航天器進(jìn)行防護(hù)。其基本原理是：在航天器艙壁外部一定間隔處放置防護(hù)屏，使初始入射物體先與防護(hù)屏發(fā)生碰撞，使之碎裂、熔化甚至氣化形成碎片云，最大限度地減小和分散入射物體的動(dòng)能，降低其對(duì)航天器艙壁的損傷。目前，基于典型Whipple 結(jié)構(gòu)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種類(lèi)型的防護(hù)結(jié)構(gòu)。國(guó)際空間站上的防護(hù)結(jié)構(gòu)由15 萬(wàn)塊20 cm×20 cm 的單元組成，使用了約400 種類(lèi)型的防護(hù)結(jié)構(gòu)。

由波阻抗梯度材料防護(hù)屏替代均質(zhì)鋁合金防護(hù)屏而形成的增強(qiáng)型Whipple 結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的防護(hù)性能。Zhang 等 [9-10]通過(guò)大量超高速撞擊實(shí)驗(yàn)研究了Al/Mg 防護(hù)結(jié)構(gòu)的超高速撞擊特性，驗(yàn)證了其防護(hù)性能，結(jié)果表明：Al/Mg 防護(hù)屏與典型鋁合金防護(hù)屏具有相同的表面材料，彈丸中產(chǎn)生的沖擊壓力和溫升相等。由于波阻抗梯度結(jié)構(gòu)改變了沖擊波的傳播路徑和內(nèi)能轉(zhuǎn)化效率，提升了彈丸的破碎程度，使碎片云的擴(kuò)散區(qū)域更大，分散了撞擊動(dòng)能，從而提高了結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能。

高阻抗迎撞擊面可以產(chǎn)生更高的沖擊波壓力和溫升，有利于進(jìn)一步提升防護(hù)性能。宋光明等基于Al/Mg 結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在保持面密度相同的條件下，提出了一種新型波阻抗梯度材料Whipple 防護(hù)結(jié)構(gòu)—Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由高阻抗的TC4 鈦合金表層、2A12 鋁合金夾層和AZ31B 鎂合金底層組成。Long 等開(kāi)展了Ti/Al/Mg 材料的制備和超高速撞擊特性的初步研究，張品亮等研究了Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)的碎片云特性，但是，還沒(méi)有系統(tǒng)地開(kāi)展Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，并建立其撞擊極限曲線。因此，本文中將通過(guò)開(kāi)展一系列超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，研究Ti/Al/Mg 的超高速撞擊特性，建立撞擊極限曲線，并試圖發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)使用的Ti/Al/Mg 波阻梯度防護(hù)屏由0.3 mm 厚的TC4 鈦合金、0.2 mm 厚的2A12 鋁合金和1.3 mm厚的AZ31B 鎂合金組成，采用擴(kuò)散焊接法制備。超高速撞擊實(shí)驗(yàn)在二級(jí)輕氣炮上開(kāi)展，速度范圍為3～8 km/s，實(shí)驗(yàn)原理如圖1 所示。針對(duì)Ti/Al/Mg結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了14 次超高速撞擊實(shí)驗(yàn)。為了驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，還開(kāi)展了11 次2A12 結(jié)構(gòu)超高速撞擊實(shí)驗(yàn)和2 次Al/Mg 結(jié)構(gòu)超高速撞擊實(shí)驗(yàn)。2A12 防護(hù)屏厚度為1.5 mm，Al/Mg 防護(hù)屏厚度為0.8 mm/1.1 mm。在所有的實(shí)驗(yàn)中，防護(hù)屏的面密度(ρ=0.419 g/cm)、間距(=100.0 mm)和5A06 鋁合金后墻厚度 (=2.5 mm)保持恒定，通過(guò)改變彈丸直徑來(lái)確定特定速度點(diǎn)的撞擊極限（臨界彈丸直徑）。失效準(zhǔn)則定義為后墻后表面有材料剝落或清晰的穿孔，臨界狀態(tài)為后墻出現(xiàn)層裂鼓包并伴隨著單一的非穿透裂紋。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果列于表1 中。

表1 超高速撞擊實(shí)驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果Table 1 Hypervelocity impact test conditions and results

圖1 實(shí)驗(yàn)原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of experimental configuration

2 結(jié)果與分析

2.1 后墻損傷特征

圖2 為直徑約4.25 mm 的鋁彈丸以約3.5 km/s 速度撞擊2A12 結(jié)構(gòu)、Al/Mg 結(jié)構(gòu)和Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)的后墻損傷形貌。撞擊速度為3.5 km/s 時(shí)，彈丸和防護(hù)屏材料碎片仍為固態(tài)，撞擊坑的尺寸通常與彈丸碎片尺寸正相關(guān)。在實(shí)驗(yàn)3-1 中，后墻產(chǎn)生的撞擊坑主要集中在中軸線附近，在中心損傷區(qū)域有7 個(gè)直徑大于3.0 mm 的撞擊坑，直徑最大為4.86 mm，對(duì)后墻的損傷起決定性作用，后墻后表面出現(xiàn)3 個(gè)材料剝落區(qū)域，并且在中軸線附近出現(xiàn)了穿孔，這說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)，如圖2（a）所示。在實(shí)驗(yàn)3-2 和實(shí)驗(yàn)1-2中，撞擊坑圍繞中軸線呈環(huán)狀排列，而在中心區(qū)域損傷較小。與2A12 結(jié)構(gòu)相比，彈丸撞擊Al/Mg 結(jié)構(gòu)后，彈丸碎片的質(zhì)量更加分散，10 個(gè)直徑大于3.0 mm 的撞擊坑呈環(huán)狀排列，直徑最大為4.30 mm。后墻后表面出現(xiàn)呈圓環(huán)排列的凸起，以及一個(gè)非穿透性裂紋，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)處于臨界狀態(tài)，如圖2（b）所示。從圖2（c）中可以看出，與2A12 結(jié)構(gòu)和Al/Mg 結(jié)構(gòu)相比，Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)的撞擊坑尺寸明顯減小，有超過(guò)25 個(gè)直徑大于2.0 mm 的撞擊坑呈環(huán)形排列，直徑最大為3.51 mm，后墻后表面環(huán)形排列的凸起更加輕微，并且無(wú)裂紋和材料剝落。

圖2 在約3.5 km/s 速度撞擊下后墻前表面和后表面(插圖)損傷形貌Fig. 2 Photographs of damage patterns on the front and rear (inset) surfaces of the rear wall produced by an aluminum sphere impacting at about 3.5 km/s

圖3 為直徑約5.75 mm 的鋁彈丸以約6.20 km/s 的速度撞擊2A12 結(jié)構(gòu)、Al/Mg 結(jié)構(gòu)和Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)后墻的損傷形貌。通常，典型Whipple 結(jié)構(gòu)的后墻損傷區(qū)由中心損傷區(qū)、環(huán)形損傷區(qū)和擴(kuò)散損傷區(qū)3 個(gè)區(qū)域組成。從圖3 中可以看出，Al/Mg 結(jié)構(gòu)和Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)的損傷區(qū)域由中心損傷區(qū)和擴(kuò)散損傷區(qū)組成，環(huán)形損傷區(qū)不明顯。

圖3 在約6.2 km/s 速度撞擊下，后墻前表面和后表面的損傷形貌Fig. 3 Photographs of damage patterns on the front and rear (inset) surfaces of the rear wall produced by an aluminum sphere impacting at about 6.2 km/s

后墻損傷模式與碎片云中的物質(zhì)狀態(tài)密切相關(guān)。在2A12 結(jié)構(gòu)中，中心損傷區(qū)和擴(kuò)散損傷區(qū)之間存在清晰的邊界，這說(shuō)明撞擊坑主要由固態(tài)材料碎片撞擊形成，這與前期結(jié)果一致。在Al/Mg 結(jié)構(gòu)和Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)中，撞擊坑在中心損傷區(qū)邊緣有規(guī)律地排列，中心損傷區(qū)邊緣外側(cè)形成了明顯的由液滴或氣體濺射而形成的“熔融或汽化痕跡”（圖3 中紅色邊框插圖，特別是在圖3（c）中）。經(jīng)過(guò)測(cè)量，2A12 結(jié)構(gòu)、Al/Mg 結(jié)構(gòu)和Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)后墻的主要損傷區(qū)域直徑分別為53.1、64.6 和68.3 mm。這說(shuō)明彈丸撞擊Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)后，碎片云的擴(kuò)散角更大，動(dòng)能被分散到更大的面積上，從而能夠降低對(duì)后墻的損傷。此外，Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)在中軸線附近的損傷程度小于2A12 和Al/Mg 結(jié)構(gòu)，這說(shuō)明Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)碎片云中心大碎片的尺寸更小。

圖3 中的白色邊框插圖為對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)后墻后表面的損傷形貌。對(duì)于2A12 結(jié)構(gòu)，后墻中心區(qū)域出現(xiàn)了大面積材料剝落和穿孔，這表明結(jié)構(gòu)處于明顯的失效狀態(tài)。Al/Mg 結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能優(yōu)于2A12 結(jié)構(gòu)，Al/Mg 結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)圓環(huán)狀的塑性應(yīng)變區(qū)和3 個(gè)剝落區(qū)域(由大塊固態(tài)材料碎片撞擊引起)。而Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)后墻沒(méi)有出現(xiàn)材料剝落，并且塑性應(yīng)變程度更小，這說(shuō)明Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能明顯優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)，高阻抗迎撞擊面對(duì)彈丸的破碎效應(yīng)更加明顯。

2.2 理論分析

彈丸和靶材的斷裂破碎可解釋為多次層裂現(xiàn)象，文獻(xiàn)[9]中詳細(xì)描述了彈丸撞擊波阻抗梯度防護(hù)屏?xí)r波的相互作用和多次層裂過(guò)程。沖擊波能量和傳播過(guò)程是影響彈丸破碎程度的主要因素。除了沖擊壓力，由于熱效應(yīng)影響著材料的強(qiáng)度和相態(tài)，也是影響碎片云中顆粒的尺寸的重要因素，因此，本文中對(duì)沖擊壓力和沖擊波卸載后的剩余比內(nèi)能進(jìn)行了計(jì)算。

彈靶接觸界面的最大沖擊壓力由Hugoniot 沖擊條件決定：

式中：為粒子速度，ρ和分別為材料的零壓密度和聲速，λ 為雨貢紐系數(shù)。

比內(nèi)能可根據(jù)Rankine-Hugoniot 關(guān)系和Mie-Grüneisen 狀態(tài)方程計(jì)算。沖擊加載過(guò)程所做的功數(shù)值上等于-圖上瑞利線以下覆蓋的面積，沖擊加載過(guò)程所產(chǎn)生的內(nèi)能為：

式中：為初始?jí)毫?，和分別為初始?jí)嚎s比容和最終壓縮比容。

在等熵卸載至零壓過(guò)程中，沖擊壓縮的內(nèi)能被釋放出來(lái)。釋放的內(nèi)能由等熵線()以下的面積決定：

式中：為卸載后的比容。材料的剩余比內(nèi)能Δ為加載過(guò)程中產(chǎn)生的比內(nèi)能與卸載過(guò)程中釋放的比內(nèi)能之差：

沖擊壓力計(jì)算結(jié)果如圖4（a）所示，計(jì)算所采用的材料參數(shù)列于表2中。可以看出，在8.0 km/s的速度下，鋁彈丸撞擊Ti/Al/Mg 防護(hù)屏產(chǎn)生的沖擊壓力為137.7 GPa，高于撞擊2A12 防護(hù)屏產(chǎn)生的沖擊壓力117.3 GPa。彈丸比內(nèi)能的計(jì)算結(jié)果如圖4（b）所示，可以看出，在8.0 km/s 時(shí)，鋁彈丸撞擊Ti/Al/Mg 防護(hù)屏產(chǎn)生的比內(nèi)能為1.780 MJ/kg，高于撞擊2A12 防護(hù)屏產(chǎn)生的比內(nèi)能1.447 MJ/kg，即采用Ti/Al/Mg 防護(hù)屏后，彈丸溫升可提高23.0%。因此，在相同的撞擊速度下，使用Ti/Al/Mg 防護(hù)屏?xí)r，由于迎撞擊面材料的波阻抗較高，彈丸內(nèi)的沖擊壓力和比內(nèi)能均明顯高于2A12 和Al/Mg 防護(hù)屏。因此，Ti/Al/Mg 防護(hù)屏產(chǎn)生的碎片云顆粒細(xì)化程度比2A12 和Al/Mg 防護(hù)屏更高，這正好解釋了其后墻撞擊坑尺寸更加細(xì)化的現(xiàn)象。

圖4 沖擊壓力和比內(nèi)能與撞擊速度的關(guān)系Fig. 4 Calculated shock pressure and specific internal energy as a function of the impact velocity

表2 材料主要參數(shù)[21-24]Table 2 Key parameters of materials for shock coupling[21-24]

2.3 撞擊極限曲線

撞擊極限是指防護(hù)結(jié)構(gòu)受撞擊后發(fā)生失效與否的臨界狀態(tài)，是評(píng)價(jià)防護(hù)性能的重要形式，通常用臨界彈丸直徑表示。在某一速度下，如果彈丸直徑大于臨界直徑，撞擊后結(jié)構(gòu)將失效，如果彈丸直徑小于臨界直徑，結(jié)構(gòu)將能成功抵御其撞擊。本文中分別以3.5、5.0、6.5、7.0 和8.0 km/s 的速度開(kāi)展超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變每次實(shí)驗(yàn)的彈丸直徑，來(lái)獲得臨界彈丸直徑。

圖5 為撞擊速度為3.5 km/s 時(shí)后墻后表面的損傷形貌。實(shí)驗(yàn)1-1 和實(shí)驗(yàn)1-2 中彈丸直徑分別為3.99 和4.25 mm，在后墻上產(chǎn)生了呈環(huán)形排列的凸起，沒(méi)有材料剝落和穿孔，如圖5（a）～（b）所示。當(dāng)彈丸直徑提升至4.51 mm 時(shí)，實(shí)驗(yàn)1-3 中后墻上形成了兩個(gè)穿孔，說(shuō)明結(jié)構(gòu)失效，如圖5（c）所示。因此，在撞擊速度為3.5 km/s 時(shí)，臨界彈丸直徑位于4.25～4.51 mm 之間。

圖5 撞擊速度約3.5 km/s 時(shí)Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)后墻后表面損傷形貌Fig. 5 Photographs of damage to the rear surface of Ti/Al/Mg shield’s rear walls when the impact velocity is about 3.5 km/s

圖6 為撞擊速度為5.0 km/s 時(shí)后墻后表面的損傷形貌。實(shí)驗(yàn)1-4 和實(shí)驗(yàn)1-5 中彈丸直徑分別為4.75 和5.00 mm，撞擊后后墻無(wú)材料剝落、穿孔、裂紋產(chǎn)生，如圖6（a）～（b）所示。當(dāng)彈丸直徑增加到5.25 mm 時(shí)，后墻出現(xiàn)微小穿孔，如圖6（c）所示，表明實(shí)驗(yàn)1-6 結(jié)構(gòu)失效。在撞擊速度為5.0 km/s 時(shí)，臨界彈丸直徑位于5.00～5.25 mm 之間。

圖6 撞擊速度約5.0 km/s 時(shí)Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)后墻后表面損傷形貌Fig. 6 Photographs of damage to the rear surface of Ti/Al/Mg shield’s rear walls when the impact velocity is about 5.0 km/s

在6.5 km/s 速度撞擊下，彈丸直徑為6.27 mm 時(shí)，實(shí)驗(yàn)1-9 中后墻出現(xiàn)材料剝落，但未出現(xiàn)穿孔和裂紋，定義為失效狀態(tài)，如圖7（c）所示。而在實(shí)驗(yàn)1-7 和實(shí)驗(yàn)1-8 中，Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)能夠抵御直徑為5.77 和6.00 mm 彈丸的撞擊。因此，臨界彈丸直徑位于6.00～6.27 mm 之間。

圖7 撞擊速度約6.5 km/s 時(shí)Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)后墻后表面損傷形貌Fig. 7 Photographs of damage to the rear surface of Ti/Al/Mg shield’s rear walls when the impact velocity is about 6.5 km/s

在7.0 km/s 速度撞擊下，彈丸直徑為6.00 mm 時(shí)，后墻出現(xiàn)環(huán)形塑性變形區(qū)域，但未失效，如圖8（a）所示。當(dāng)彈丸直徑為6.25 mm 時(shí)，環(huán)形區(qū)域塑性變形程度更大，后墻中心出現(xiàn)嚴(yán)重的穿透性裂紋，但沒(méi)有材料損失，如圖8（b）所示。因此，臨界彈丸直徑位于6.00～6.25mm 之間。

圖8 撞擊速度約7.0 km/s 時(shí)Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)后墻后表面損傷形貌Fig. 8 Photographs of damage to the rear surface of Ti/Al/Mg shield’s rear walls when the impact velocity is about 7.0 km/s

圖9 為8.0 km/s 速度撞擊下Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)的后墻損傷形貌。實(shí)驗(yàn)1-12 結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)能夠抵御6.25 mm 彈丸的正撞擊，如圖9（a）所示。當(dāng)彈丸直徑大于等于6.5 mm 時(shí)，后墻明顯失效，實(shí)驗(yàn)1-13 和實(shí)驗(yàn)1-14 后墻中心區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重撕裂損傷，如圖9（b）～（c）所示。臨界彈丸直徑位于6.25～6.50 mm 之間。

圖9 撞擊速度約8.0 km/s 時(shí)Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)后墻后表面損傷形貌Fig. 9 Photographs of damage to the rear surface of Ti/Al/Mg shield’s rear walls when the impact velocity is about 8.0 km/s

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著撞擊速度的增加，中心區(qū)域損傷變得更加嚴(yán)重。高速段的失效模式與低速段明顯不同。在低速段，損傷模式通常為一個(gè)微小的穿孔。而在高速段，則是中心區(qū)域的大面積脫落或撕裂損傷。這是由碎片云形態(tài)決定的，在較低的撞擊速度下，固態(tài)顆粒的撞擊是點(diǎn)撞擊，容易形成微小的穿孔。隨著撞擊速度的增加，碎片云開(kāi)始液化、汽化，撞擊后墻面積增大，造成脫落、剝落或撕裂損傷。

圖10 中顯示了Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)，采用最小二乘法進(jìn)行擬合得到了Ti/Al/Mg結(jié)構(gòu)的撞擊極限曲線。作為比較，2A12 結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和撞擊極限曲線也顯示在圖中。2A12結(jié)構(gòu)在3～7 km/s 的撞擊極限曲線采用最小二乘法根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得到。由于鋁合金結(jié)構(gòu)的區(qū)間轉(zhuǎn)變速度為7 km/s，本文中根據(jù)7 km/s臨界彈丸直徑計(jì)算結(jié)果和8 km/s 臨界彈丸直徑實(shí)驗(yàn)結(jié)合擬合得到大于7 km/s 的撞擊極限曲線。對(duì)比后可以看出，在實(shí)驗(yàn)速度范圍內(nèi)，Ti/Al/Mg結(jié)構(gòu)的臨界彈丸直徑明顯大于2A12 結(jié)構(gòu)：撞擊速度為3.5 km/s 時(shí)，Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)的臨界彈丸直徑為4.49 mm，與2A12 結(jié)構(gòu)的3.66 mm 相比提升了22.7%；撞擊速度為6.5 km/s 時(shí)，Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)的臨界彈丸直徑為5.88 mm，比2A12 結(jié)構(gòu)的4.82 mm提高了22.2%；撞擊速度為8.0 km/s 時(shí)，Ti/Al/Mg 結(jié)果的臨界彈丸直徑為6.58 mm，比2A12 結(jié)構(gòu)的4.88 mm提高了34.8%。因此，隨著撞擊速度的提升，Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)的防護(hù)效能更加明顯。

2.4 區(qū)間轉(zhuǎn)變速度

依據(jù)彈丸撞擊防護(hù)屏后的響應(yīng)模式，Whipple結(jié)構(gòu)的典型撞擊極限曲線可分為3 個(gè)區(qū)間：彈道區(qū)(Ⅰ區(qū))、破碎區(qū)(Ⅱ區(qū))、熔化/氣化區(qū)(Ⅲ區(qū))，主要取決于彈丸的法向分速度，即產(chǎn)生的沖擊壓力和碎片云相態(tài)。在Ⅰ區(qū)，撞擊沖擊壓力較低，彈丸與防護(hù)屏碰撞后發(fā)生塑性變形，但基本上保持完整，隨著彈丸速度的提升，臨界彈丸直徑減小。在Ⅱ區(qū)，碎片云由固態(tài)顆粒和熔融液滴組成，熔融的比例隨著速度的提高而增加，由于熔融需要消耗大量動(dòng)能，隨著彈丸速度的提升，臨界彈丸直徑增大。在Ⅲ區(qū)，彈丸破碎已經(jīng)達(dá)到極限，彈丸完全熔融，撞擊速度的提高將造成更加嚴(yán)重的后墻損傷，即隨著彈丸速度的提高，臨界彈丸直徑減小。

沖擊壓力決定了碎片云中固態(tài)、熔融和氣化物質(zhì)的比例。鋁彈丸撞擊鋁合金防護(hù)屏?xí)r，彈丸在5.5 km/s開(kāi)始熔融，在7.0 km/s 完全熔融。Ⅱ區(qū)到Ⅲ區(qū)的轉(zhuǎn)變速度是彈丸完全熔融開(kāi)始?xì)饣瘯r(shí)的碰撞速度，因此，典型鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)的區(qū)間轉(zhuǎn)變速度為7.0 km/s。然而，當(dāng)鋁彈丸撞擊非鋁質(zhì)防護(hù)屏?xí)r，區(qū)間轉(zhuǎn)變速度可能不為7.0 km/s。

從圖4（a）可以看出，鋁彈丸以7.0 km/s 的速度撞擊2A12 防護(hù)屏產(chǎn)生的沖擊壓力為96.3 GPa，等于鋁彈丸以6.2 km/s 的速度撞擊Ti/Al/Mg 防護(hù)屏?xí)r所產(chǎn)生的沖擊壓力。也就是說(shuō)，鋁彈丸撞擊Ti/Al/Mg 防護(hù)屏發(fā)生完全熔融，從Ⅱ區(qū)到Ⅲ區(qū)轉(zhuǎn)變速度應(yīng)小于7.0 km/s。然而，從圖10 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)的Ⅱ區(qū)到Ⅲ區(qū)的轉(zhuǎn)變點(diǎn)并未出現(xiàn)，在3～8 km/s 的速度時(shí)，臨界彈丸直徑隨撞擊速度的提高而增加，這與典型Whipple 結(jié)構(gòu)在Ⅱ區(qū)到Ⅲ區(qū)轉(zhuǎn)變點(diǎn)（7 km/s）之后臨界彈丸直徑隨著撞擊速度的提高而減小不同。

圖10 Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)和2A12 結(jié)構(gòu)的撞擊極限Fig. 10 Ballistic limit curves and test data for Ti/Al/Mg shields compared to 2A12 shields

3 結(jié) 論

針對(duì)Ti/Al/Mg 防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊極限開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。在二級(jí)輕氣炮超高速發(fā)射裝置上，開(kāi)展了Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)、2A12 結(jié)構(gòu)和Al/Mg 結(jié)構(gòu)以3～8 km/s 速度的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)27 發(fā)。與2A12 結(jié)構(gòu)和Al/Mg 結(jié)構(gòu)相比，Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)具有更加優(yōu)異的防護(hù)性能。在撞擊速度為8.0 km/s 時(shí)，沖擊壓力和彈丸中的比內(nèi)能分別增加了23.0% 和30.7%，這對(duì)碎片云顆粒的進(jìn)一步細(xì)化具有重要作用。建立了Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)在3～8 km/s 范圍內(nèi)的撞擊極限曲線，并與相同面密度的2A12 結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：與2A12 結(jié)構(gòu)相比，Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能大幅提升，在約8.0 km/s 速度下，Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)的彈丸臨界直徑為6.58 mm，與2A12 結(jié)構(gòu)的4.88 mm 相比提高了34.8%。計(jì)算結(jié)果表明：Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)從Ⅱ區(qū)到Ⅲ區(qū)的轉(zhuǎn)變速度小于7.0 km/s。然而，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)區(qū)間轉(zhuǎn)變速度點(diǎn)并未出現(xiàn)，這與典型Whipple 結(jié)構(gòu)撞擊極限曲線存在差異。后續(xù)還需要開(kāi)展更多的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究Ti/Al/Mg 結(jié)構(gòu)的撞擊極限以及未出現(xiàn)區(qū)間轉(zhuǎn)變的原因。