碎片撞击

超高速撞击碎片云特胜数值模拟研穷

装备学院航天装备系 刘林 杨健

［摘要］碎片云特性对空间碎片撞击航天器防护结构的损伤程度具有重大影响。本文采用数值仿真软件ＡＵＴＯＤＹＮ对球形弹丸

超高速撞击单层板和双层板的碎片云特性进行了模拟，分析了弹丸超高速撞击不同层数防护板后的碎片云形态，研究了速度和板间

距对碎片云特性的影响。研究表明：碎片云的形成需要一定的条件，速度和板间距对碎片云的特性有重要影响。

［关键词］超高速撞击 碎片云 ｓＰＨ数值模拟

１．引言

自１９５７年第一颗人造地球卫星成功发射以来，航天活动日益增

多，空间碎片环境日趋复杂，对在轨航天器的安全飞行造成了很大威

胁，有关防护微流星体和空间碎片超高速撞击的研究得到了国内外的

高度重视，因此在设计建造航天器的过程中需要考虑空间碎片的防护

问题 。１９４７年Ｗｈｉｐｐｌｅ提出了应对微流星体的Ｗｈｉｐｐｌｅ防护方案，即

在航天器舱体外一定距离处放置薄板作为防护屏。在此基础上，后人

进行了大量航天器防护结构的研究工作，发展了各种新型多层板防护

结构，用于空间碎片的防护设计中 。空间碎片超高速撞击防护屏以

后，会碎裂成许多小颗粒，形成碎片云。开展弹丸穿透不同层数板的碎

片云特性的研究能够对空间碎片的损伤能力进行深入分析。因为超高

速撞击实验的速度、质量、形状和材料等的限制及费用比较高，超高速

撞击数值模拟成为防护结构防护性能研究的有效方法，采用有效的材

料模型可以得到与实验非常一致的结果 Ｊ［ 。本文采用ＡＵＴＯＤＹＮ软件

进行了球形弹丸超高速撞击单层板和双层板形成碎片云过程的数值模

拟，给出了二维模拟结果，研究了碎片云形成的条件以及弹丸速度和板

间距对碎片云特性的影响。

２．数值模拟方案

仿真计算中弹丸和防护屏的材料分别为ＡＬ２０２４一Ｔ４和ＡＬ６０６１一Ｔ６

铝合金，每层缓冲板厚度均为ｌｍｍ，仿真计算均采用光滑粒子动力学

（ＳＰＨ）方法，材料模型采用Ｓｈｏｃｋ状态方程、Ｓｔｅｉｎｂｅｒｇ—Ｇｕｉｎａｎ强度模型和

最大主应力失效模型。ＡＬ２０２４一Ｔ４和ＡＬ６０６１一Ｔ６的最大拉应力分别为

２．０ＧＰａ和２．６ＧＰａ，其它参数均采用标准ＡＵＴＯＤＹＮ材料库的数据 １１６１。

模型均采用二维对称模型，粒子直径根据板厚度选取，保证在最小缓冲

板厚度方向上的ＳＰＨ粒子数不少于ｌ０个。

图１中（ａ）和（ｂ）所示分别为单层防护屏撞击模型和双层防护屏撞

击模型。

（ａ１单层防护屏 （ｂ）双层防护屏

图１防护屏撞击模型

３．数值模拟结果及分析

３．１单板碎片云特性

３．１．１碎片云形成条件

设定防护屏厚度为１ ｍ，弹丸速度和弹丸直径分别为不同值时

可以得到不同的仿真结果，如表１所示。

表１不同弹丸速度和弹丸直径条件下的仿真结果

弹丸直径 弹丸速度 防护屏厚度ｔ 编号 仿真结果

（ ２ｍ） （ｂｎ／ｓ） （ｍｍ）

ｌ Ｏ．１ ３ １ 成坑

２ Ｏ．２ ３ １ 突起

３ Ｏ．３ ３ ｌ 剥落

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

设置单板厚度为１聊 ，弹丸速度为３向 ／ｓ，弹丸直径为０．２ 、

０．３ ｍ 时，只在防护屏背面形成突起或剥落；弹丸直径在０．４ ｍｍ以上

时才形成了碎片云。保持弹丸直径为０．３ ｍｍ，弹丸速度达到４ｌｒｍ／ｓ以

上时，单板后才形成碎片云。由此说明，碎片云的产生需要满足一定的

条件：１）弹丸必须要有足够的动能；２）弹丸直径和靶板厚度要满足一定

的比例。

３．１．２单板碎片云形态

图２给出了超高速撞击单层防护屏形成碎片云的模拟过程。从中

可以对单板形成碎片云的过程进行分析：当弹丸与前板发生超高速碰

撞时，二者从接触面开始碎裂，形成许多固体小颗粒。这些材料除小部

分会发生反向飞溅外，大部分则以碎片云的形式向后抛出。同时，前板

穿 Ｌ孔径沿径向不断向外扩展，但扩展速率随时间的增加而迅速减小，

在穿孔直径达到大约几倍弹丸直径时，孔径扩展过程停止 。 ¨｝ ： ＿： ＿

（ａ），＝ｌｐｓ （ｂ） ３ｐｓ （Ｃ）ｆ＝５． （ｄ） ７．

图２超高速撞击单层防护屏碎片云形成的二维仿真结果

图３给出了超高速撞击单板碎片云的理论研究模型，其中ＤＨ，

Ｄ。，Ｌ ，Ｌ，， 分别为防护屏穿孔直径，碎片云直径，碎片云的膨胀距

离，弹丸和防护屏的碎片界面位置，碎片云的前端速度。

ｆ、、

：

Ｉ

，

一

图３碎片云模型

３．１．３弹丸速度对单板碎片云的影响

设置单板厚度为１ ７７２ｍ，弹丸直径为３ ｍ ，当弹丸速度变化时，可

以得到防护屏穿孔直径、碎片云直径、碎片云的膨胀距离和碎片云前端

速度的变化规律，如图４所示。

墓

盎

世

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／ — 一

／

／

／

／

／

弹丸速度（ｋｍ，鳓

（ａ）单层板穿孑Ｌ直径随弹丸速度的变化规律

／

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／

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—

一 ，

／

，Ｌ ＩＩ口－．ＩｌＩ

（ｂ）碎片云直径随弹丸速度的变化规律

％ 《 皤 ＃ １

ｌ ｌ

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弹丸莲度（ｋｍ黼

ｆｃ】碎片云膨胀距离随弹丸速度的变化规律

／

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／／

／

■Ａ Ｉ Ｉ

（ｄ）碎片云前端速度随弹丸速度的变化规律

图４弹丸速度对碎片云特性的影响

从图４可以看出，单板穿孑Ｌ直径能达到球形弹丸直径的数倍，并随

弹丸速度的增大而增大，但增大的幅度逐渐减小；碎片云直径、碎片云

的膨胀距离和碎片云前端速度都随弹丸速度的增大呈现线性增长的变

化趋势，碎片云前端速度仍旧很大，说明碎片云前端具有较大的破坏

力。

３．２双层板碎片云特性

设置两层板厚度均为ｌｍｍ，弹丸速度分别设为３ｋｍ／ｓ，４ｋｍ／ｓ，５ｋｍ／ｓ，

６ｋｍ／ｓ，７ｋｍ／ｓ，８ｋｍ／ｓ，板间距分别设为１Ｏｍｍ，２０ｒａｍ，３０ｒａｍ，４０ｒａｍ，５０ｒａｍ，

６０ｍｍ。考虑单个因素的影响时，其余参数保持不变。弹丸超高速撞击

双层板后形成碎片云的仿真结果如图５所示。

图５双层板碎片云仿真结果

３．２．１撞击速度对碎片云特性的影响

／

一

／

／ ／

／

／－

弹丸蘧虞Ｉｋ－－ｌ，Ｉｌ

（ａ）第二层板穿孔直径随弹丸速度的变化规律

／

—

／

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／

／

／ ／

——

， ，

弹丸蘧度Ｉｋｍ『ｌｌ

ｆｂ）碎片云前端速度随弹丸速度的变化规律

图６弹丸速度对碎片云特性的影响

图６给出了弹丸超高速撞击双层板时，第二层板穿孔直径和碎片

云前端速度随弹丸撞击速度的变化规律。可以看出，第二层板穿孔直

径随弹丸撞击速度的增加而增大，但增大的幅度随弹丸撞击速度的增

加而减小，这与单层板碎片云的变化趋势是一致的。当弹丸撞击速度

达到一定值后，弹丸撞击速度的变化对第二层板穿孑Ｌ直径的影响不再

明显。碎片云前端速度随弹丸速度的增加而增大，但与弹丸速度相比

大幅下降，说明板间距一定的情况下，弹丸撞击两层板之后形成的碎片

云的破坏能力大幅减小。

３．２．２双层板间距对碎片云特性的影响

图７给出了弹丸超高速撞击双层板时，第二层板穿孑Ｌ直径和碎片

云集中区域随板间距的变化规律。从中可以看出，第二层板穿孔直径

随板间距的增大而增大，这是因为在撞击速度一定，板间距较小时，碎

片云比较集中，从而形成较小的穿孔，板间距增大时，碎片云能充分膨

胀，碎片云在较大面积上撞击第二层板，形成较大的穿孔；而碎片云集

中区域随板间距的增大而减小，这是因为较大的板间距时，前板后的碎

片云充分膨胀，再穿过第二层板后碎片云的能量大幅下降，碰撞能力下

降，主要集中在一定的圆柱形区域内。

—

一』

— 一一 ．

／

／ 一

／ ．

／

／

／

／

板同匪ｌｍｍｌ

（ａ）第二层板穿孔直径随板间距的变化规律

＼

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＼

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、 ‘、

＼

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、＼

ｈ———

——

～

￣（ｍｒｒ１）

（ｈ）ｂ碎片云集中区域随板间距的变化规律

图７双层板间距对碎片云特性的影响

４．结论

通过对超高速撞击单层板和双层板的碎片云特性的仿真分析，可

以得到以下结论：

（１）数值模拟方法能很好地模拟碎片云的形成过程。碎片云的形

成需要一定的条件：ａ）弹丸必须要有足够的动能；ｂ）弹丸直径和板厚度

要满足一定的比例。

（２）弹丸速度对单层板和双层板的碎片云特性有重要影响，穿孑Ｌ直

径和碎片云膨胀距离随弹丸速度的增大而增大。

（３）在弹丸速度一定的条件下，第二层板的穿孔直径板随板间距的

增大而增大，穿过第二层板的碎片云主要集中在一定的圆柱形区域内。

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