碎片撞擊

超高速撞擊碎片云特勝數值模擬研窮

裝備學院航天裝備系 劉林 楊健

［摘要］碎片云特性對空間碎片撞擊航天器防護結構的損傷程度具有重大影響。本文采用數值仿真軟件ＡＵＴＯＤＹＮ對球形彈丸

超高速撞擊單層板和雙層板的碎片云特性進行了模擬，分析了彈丸超高速撞擊不同層數防護板后的碎片云形態，研究了速度和板間

距對碎片云特性的影響。研究表明：碎片云的形成需要一定的條件，速度和板間距對碎片云的特性有重要影響。

［關鍵詞］超高速撞擊 碎片云 ｓＰＨ數值模擬

１．引言

自１９５７年第一顆人造地球衛星成功發射以來，航天活動日益增

多，空間碎片環境日趨復雜，對在軌航天器的安全飛行造成了很大威

脅，有關防護微流星體和空間碎片超高速撞擊的研究得到了國內外的

高度重視，因此在設計建造航天器的過程中需要考慮空間碎片的防護

問題 。１９４７年Ｗｈｉｐｐｌｅ提出了應對微流星體的Ｗｈｉｐｐｌｅ防護方案，即

在航天器艙體外一定距離處放置薄板作為防護屏。在此基礎上，后人

進行了大量航天器防護結構的研究工作，發展了各種新型多層板防護

結構，用于空間碎片的防護設計中 ?？臻g碎片超高速撞擊防護屏以

后，會碎裂成許多小顆粒，形成碎片云。開展彈丸穿透不同層數板的碎

片云特性的研究能夠對空間碎片的損傷能力進行深入分析。因為超高

速撞擊實驗的速度、質量、形狀和材料等的限制及費用比較高，超高速

撞擊數值模擬成為防護結構防護性能研究的有效方法，采用有效的材

料模型可以得到與實驗非常一致的結果 Ｊ［ 。本文采用ＡＵＴＯＤＹＮ軟件

進行了球形彈丸超高速撞擊單層板和雙層板形成碎片云過程的數值模

擬，給出了二維模擬結果，研究了碎片云形成的條件以及彈丸速度和板

間距對碎片云特性的影響。

２．數值模擬方案

仿真計算中彈丸和防護屏的材料分別為ＡＬ２０２４一Ｔ４和ＡＬ６０６１一Ｔ６

鋁合金，每層緩沖板厚度均為ｌｍｍ，仿真計算均采用光滑粒子動力學

（ＳＰＨ）方法，材料模型采用Ｓｈｏｃｋ狀態方程、Ｓｔｅｉｎｂｅｒｇ—Ｇｕｉｎａｎ強度模型和

最大主應力失效模型。ＡＬ２０２４一Ｔ４和ＡＬ６０６１一Ｔ６的最大拉應力分別為

２．０ＧＰａ和２．６ＧＰａ，其它參數均采用標準ＡＵＴＯＤＹＮ材料庫的數據 １１６１。

模型均采用二維對稱模型，粒子直徑根據板厚度選取，保證在最小緩沖

板厚度方向上的ＳＰＨ粒子數不少于ｌ０個。

圖１中（ａ）和（ｂ）所示分別為單層防護屏撞擊模型和雙層防護屏撞

擊模型。

（ａ１單層防護屏 （ｂ）雙層防護屏

圖１防護屏撞擊模型

３．數值模擬結果及分析

３．１單板碎片云特性

３．１．１碎片云形成條件

設定防護屏厚度為１ ｍ，彈丸速度和彈丸直徑分別為不同值時

可以得到不同的仿真結果，如表１所示。

表１不同彈丸速度和彈丸直徑條件下的仿真結果

彈丸直徑 彈丸速度 防護屏厚度ｔ 編號 仿真結果

（ ２ｍ） （ｂｎ／ｓ） （ｍｍ）

ｌ Ｏ．１ ３ １ 成坑

２ Ｏ．２ ３ １ 突起

３ Ｏ．３ ３ ｌ 剝落

４ Ｏ．４ ３ １ 形成碎片云

５ ０＿３ ４ ｌ 形成碎片云

６ ０Ｉ３ ５ １ 形成碎片云

設置單板厚度為１聊 ，彈丸速度為３向 ／ｓ，彈丸直徑為０．２ 、

０．３ ｍ 時，只在防護屏背面形成突起或剝落；彈丸直徑在０．４ ｍｍ以上

時才形成了碎片云。保持彈丸直徑為０．３ ｍｍ，彈丸速度達到４ｌｒｍ／ｓ以

上時，單板后才形成碎片云。由此說明，碎片云的產生需要滿足一定的

條件：１）彈丸必須要有足夠的動能；２）彈丸直徑和靶板厚度要滿足一定

的比例。

３．１．２單板碎片云形態

圖２給出了超高速撞擊單層防護屏形成碎片云的模擬過程。從中

可以對單板形成碎片云的過程進行分析：當彈丸與前板發生超高速碰

撞時，二者從接觸面開始碎裂，形成許多固體小顆粒。這些材料除小部

分會發生反向飛濺外，大部分則以碎片云的形式向后拋出。同時，前板

穿 Ｌ孔徑沿徑向不斷向外擴展，但擴展速率隨時間的增加而迅速減小，

在穿孔直徑達到大約幾倍彈丸直徑時，孔徑擴展過程停止 。 ¨｝ ： ＿： ＿

（ａ），＝ｌｐｓ （ｂ） ３ｐｓ （Ｃ）ｆ＝５． （ｄ） ７．

圖２超高速撞擊單層防護屏碎片云形成的二維仿真結果

圖３給出了超高速撞擊單板碎片云的理論研究模型，其中ＤＨ，

Ｄ。，Ｌ ，Ｌ，， 分別為防護屏穿孔直徑，碎片云直徑，碎片云的膨脹距

離，彈丸和防護屏的碎片界面位置，碎片云的前端速度。

ｆ、、

：

Ｉ

，

一

圖３碎片云模型

３．１．３彈丸速度對單板碎片云的影響

設置單板厚度為１ ７７２ｍ，彈丸直徑為３ ｍ ，當彈丸速度變化時，可

以得到防護屏穿孔直徑、碎片云直徑、碎片云的膨脹距離和碎片云前端

速度的變化規律，如圖４所示。

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盎

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／

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彈丸速度（ｋｍ，鰳

（ａ）單層板穿孑Ｌ直徑隨彈丸速度的變化規律

／

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／

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，

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一 ，

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，Ｌ ＩＩ口－．ＩｌＩ

（ｂ）碎片云直徑隨彈丸速度的變化規律

％ 《 皤 ＃ １

ｌ ｌ

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彈丸蓮度（ｋｍ黼

ｆｃ】碎片云膨脹距離隨彈丸速度的變化規律

／

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／

■Ａ Ｉ Ｉ

（ｄ）碎片云前端速度隨彈丸速度的變化規律

圖４彈丸速度對碎片云特性的影響

從圖４可以看出，單板穿孑Ｌ直徑能達到球形彈丸直徑的數倍，并隨

彈丸速度的增大而增大，但增大的幅度逐漸減?。凰槠浦睆?、碎片云

的膨脹距離和碎片云前端速度都隨彈丸速度的增大呈現線性增長的變

化趨勢，碎片云前端速度仍舊很大，說明碎片云前端具有較大的破壞

力。

３．２雙層板碎片云特性

設置兩層板厚度均為ｌｍｍ，彈丸速度分別設為３ｋｍ／ｓ，４ｋｍ／ｓ，５ｋｍ／ｓ，

６ｋｍ／ｓ，７ｋｍ／ｓ，８ｋｍ／ｓ，板間距分別設為１Ｏｍｍ，２０ｒａｍ，３０ｒａｍ，４０ｒａｍ，５０ｒａｍ，

６０ｍｍ。考慮單個因素的影響時，其余參數保持不變。彈丸超高速撞擊

雙層板后形成碎片云的仿真結果如圖５所示。

圖５雙層板碎片云仿真結果

３．２．１撞擊速度對碎片云特性的影響

／

一

／

／ ／

／

／－

彈丸蘧虞Ｉｋ－－ｌ，Ｉｌ

（ａ）第二層板穿孔直徑隨彈丸速度的變化規律

／

—

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／

／ ／

——

， ，

彈丸蘧度Ｉｋｍ『ｌｌ

ｆｂ）碎片云前端速度隨彈丸速度的變化規律

圖６彈丸速度對碎片云特性的影響

圖６給出了彈丸超高速撞擊雙層板時，第二層板穿孔直徑和碎片

云前端速度隨彈丸撞擊速度的變化規律。可以看出，第二層板穿孔直

徑隨彈丸撞擊速度的增加而增大，但增大的幅度隨彈丸撞擊速度的增

加而減小，這與單層板碎片云的變化趨勢是一致的。當彈丸撞擊速度

達到一定值后，彈丸撞擊速度的變化對第二層板穿孑Ｌ直徑的影響不再

明顯。碎片云前端速度隨彈丸速度的增加而增大，但與彈丸速度相比

大幅下降，說明板間距一定的情況下，彈丸撞擊兩層板之后形成的碎片

云的破壞能力大幅減小。

３．２．２雙層板間距對碎片云特性的影響

圖７給出了彈丸超高速撞擊雙層板時，第二層板穿孑Ｌ直徑和碎片

云集中區域隨板間距的變化規律。從中可以看出，第二層板穿孔直徑

隨板間距的增大而增大，這是因為在撞擊速度一定，板間距較小時，碎

片云比較集中，從而形成較小的穿孔，板間距增大時，碎片云能充分膨

脹，碎片云在較大面積上撞擊第二層板，形成較大的穿孔；而碎片云集

中區域隨板間距的增大而減小，這是因為較大的板間距時，前板后的碎

片云充分膨脹，再穿過第二層板后碎片云的能量大幅下降，碰撞能力下

降，主要集中在一定的圓柱形區域內。

—

一』

— 一一 ．

／

／ 一

／ ．

／

／

／

／

板同匪ｌｍｍｌ

（ａ）第二層板穿孔直徑隨板間距的變化規律

＼

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ｈ———

——

～

￣（ｍｒｒ１）

（ｈ）ｂ碎片云集中區域隨板間距的變化規律

圖７雙層板間距對碎片云特性的影響

４．結論

通過對超高速撞擊單層板和雙層板的碎片云特性的仿真分析，可

以得到以下結論：

（１）數值模擬方法能很好地模擬碎片云的形成過程。碎片云的形

成需要一定的條件：ａ）彈丸必須要有足夠的動能；ｂ）彈丸直徑和板厚度

要滿足一定的比例。

（２）彈丸速度對單層板和雙層板的碎片云特性有重要影響，穿孑Ｌ直

徑和碎片云膨脹距離隨彈丸速度的增大而增大。

（３）在彈丸速度一定的條件下，第二層板的穿孔直徑板隨板間距的

增大而增大，穿過第二層板的碎片云主要集中在一定的圓柱形區域內。

參考文獻

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