微流星及空间碎片的高速撞击是近地轨道长寿命、大尺寸航天器的主要威胁 ，有关防护微流星及空间碎片高速撞击的研究引起了国内外航天器研究和设计者的高度重视。航天器上的各种压力容器是受空间碎片威胁最大的关键部件 ，是航天器用来储存液体和含能高压气体或液体的部件。微流星及空间碎片对压力容器高速撞击造成的损伤是相当复杂的 ，其损伤从简单的容器壁穿孔、撕裂到整个容器发生裂纹失稳扩展。穿孔产生泄露 ，可能破坏航天器的姿态控制 ；裂纹失稳扩展将产生新的高速空间碎片向四周飞射 ，这些高速二次碎片进一步威胁航天器 ，造成航天器过早失效。充气压力容器和充液压力容器的撞击损伤是不同的。充液压力容器撞击损伤的主要形式为在撞击点或容器的薄弱处破裂 ；而充气压力容器的裂纹失稳扩展发生在容器的前壁或容器的后壁。因此有必要进行充气压力容器高速撞击的实验研究 ，加深对损伤机理和损伤现象的理解 ，探索和确定裂纹失稳扩展同撞击条件、容器内压、容器材料和防护方法的关系。文献<2～5>中 ，在较高的速度条件下采用球形弹丸对容器进行实验 ，研究了撞击产生的碎片云在容器内的传播及对容器的损伤。而在本文中 ，采用柱状弹丸在较低的速度条件下 ，进行了充气压力容器高速撞击的实验研究 ，用于确定容器内压力和防护对压力容器损伤的影响。得到了充气压力容器损伤的一些特点和规律 ，确定了容器发生简单穿孔和发生裂纹失稳扩展的临界压力 ，并对发生裂纹失稳扩展的临界穿孔尺寸进行了分析。
2实验研究方法
充气压力容器高速撞击的实验研究在二级轻气炮上进行。实采用小长径比柱状铝弹丸正撞击铝压力容器样件 ，压力容器样件采用比较便宜的铝饮料罐。
这种小尺寸铝饮料罐可为充气和充液压力容器高速撞击的响应提供数据来源 ，预报价格昂贵、大尺寸压力容器的撞击响应 ，预报大尺寸容器的损伤和失效形式。小尺寸铝罐的实验研究可为大尺寸压力容器实验方案的确定提供依据 ，避免大尺寸实验样件的浪费。铝罐由 30042 H19 铝制成 ， 其直径 66mm ， 长 123mm ， 壁厚0112mm ，材料密度为 2172g/ cm 3，准静态断裂韧性K 1c为 4415MPam 0. 5。铝罐的顶部通过二合一快固胶密封并与同压力表、充气阀、充气管等连接的 T形接头连接 ，充气管与气瓶连接 ，实现对铝罐的充气。实验时铝罐内充入不同压力的高纯氮气 ，最大到 014MPa.将铝罐固定在抽真空的靶舱（压力小于 131332Pa） 内。铝弹丸直径 514mm ，长径比为 0156 ，撞击速度在 117km/ s 附近的区域。为了得到充气铝罐裂纹失稳扩展前的损伤基本尺寸 ，去掉气体压力和静态应力的影响 ，将未充气铝罐开口放在准真空的靶舱内 ，进行了两次高速撞击实验 ，得到了铝罐前壁和后壁的损伤尺寸 ，为充气铝罐的撞击实验提供了比较依据。同时进行两次防护铝罐正撞击实验 ，在铝罐的前面距其前表面距离s = 66mm处放一厚度为 015mm 的铝合金防护屏 ，观察铝罐的损伤 ，用于同未防护铝罐的撞击实验结果进行比较。
3实验结果及分析
对于本文的撞击实验速度条件 ，由航天器单防护结构的撞击实验可以知道 ，因弹丸速度比较低 ，弹丸撞击铝罐前壁后并没有破碎 ，对后壁仍造成穿孔的损伤。未防护铝罐受到的撞击损伤随着其内压的增加而发生变化。在未充入气体和较低的压力下 ，铝罐的前壁出现一个简单的向内翻的穿孔 ；而在铝罐的后壁出现一个向外翻的不规则穿孔 ，周围还有一些小孔的损伤。由实验样件可以看到 ，铝罐未充气时在铝罐前壁和后壁的穿孔损伤均有撕裂产生。这样当铝罐内充入气体压力比较大时 ，弹丸在前壁或后壁产生的穿孔或撕裂尺寸超过了具有一定压力容器裂纹失稳的临界裂纹尺寸 ，就会在这些撕裂的尖端处开始产生裂纹失稳扩展。当铝罐内压增加超过 0125MPa 时 ，铝罐发生从后壁开始的裂纹失稳扩展或从前壁开始的裂纹失稳扩展。铝罐后壁发生裂纹失稳扩展损伤的实验样件 ，铝罐前、后壁均发生裂纹失稳扩展损伤的实验样件可以看到 ，当压力大于 0125MPa 而弹丸的动能比较大时 ，发生铝罐前、后壁的裂纹失稳扩展 ，这主要是因为铝罐前壁和后壁的穿孔或撕裂尺寸随弹丸长径比的增大而增大所致。由上面防护铝罐撞击实验的实验结果可以看到 ：铝罐后壁损伤的主要形式是后壁穿孔鼓包、撕裂和裂纹的失稳扩展。对于给定的撞击条件 ，裂纹失稳扩展发生在铝罐内压大于 0125MPa 的情况下 ，这个压力就是裂纹失稳扩展的临界压力。内压力大于这个临界压力 ，铝罐裂纹失稳扩展而发生破裂 ；内压小于或等于这个临界压力 ，铝罐发生穿孔和撕裂的损伤 ；而在压力超过临界压力 ，弹丸的动能比较大时 ，会发生前壁和后壁的裂纹失稳扩展。
气压力容器的前面进行防护不是有效的。此时铝罐前壁的损伤形式同一个未防护铝罐后壁的损伤是一样的。充气压力容器用一个单防护屏进行防护 ，在一定的压力下铝罐前壁开始的裂纹失稳扩展是主要的损伤。
从实验结果可以看到 ，充气铝罐的裂纹失稳扩展是比较严重的 ，且主要沿轴向发生。破裂的铝罐碎片同靶舱内的固定支架相撞击时的变形是比较严重的。
4裂纹失稳扩展临界尺寸的分析
由实验可知 ，弹丸撞击具有一定压力铝罐的前壁产生穿孔 ，或弹丸撞击前壁后产生的碎片在后壁产生的撕裂和穿孔 ，当其尺寸达到一定值时 ，都会引起裂纹的失稳扩展。此时 ，容器的交叉裂纹将容器分成两个或更多的碎片。容器轴向的裂纹长度占主要。小的撕裂在撞击区域的最大孔处沿轴向形成 ，同周向应力垂直 ，周向应力最大。但是破裂的方向受孔周围应力集中的影响 ，造成破裂沿着折线的方向发展。如果撞击应力引起的撕裂尺寸超过临界裂纹尺寸 ，将发生裂纹失稳扩展。如果没有超过临界裂纹尺寸 ，裂纹不会发生进一步增长。薄壁柱状容器的最大周向应力σh = D 2 t×p（1）式中 ：p是柱状容器的内压 ，D和t是容器的直径的壁厚。铝罐由于穿孔而造成的泄压忽略。
确定铝罐高速撞击损伤的临界裂纹尺寸是比较复杂的 ，它受一系列因素的影响 ，包括铝罐材料性能（如断裂韧性） 、双向应力以及结构的细节影响（壁厚和刚度） 等。对于本实验中临界裂纹尺寸的估计 ，采用 Folias 提出的关系式<8> K =σh（πa）1 / 2（1 + 3。
24 a 2 Dt）1 / 2（2）来确定应力强度因子。这是线弹性断裂力学方法 ，考虑在撕裂附近柱状容器壁向外鼓包的影响 ，适用于容器壁产生相对小的轴向裂纹。对于弹塑性和非线性的问题来说是比较保守的。
相似的另一个关系式由 Erdogan给出K =σh（πa）1 / 2（1 + 2。
5 a 2 Dt）1 / 2（3）式中 ：K是应力强度因子 ，a是半裂纹长度。因为弹丸撞击铝罐的前、后壁 ，产生花瓣形撕裂穿孔 ，其损伤可以简化为从一个圆形孔开始的两个狭长切口 ，并同周向应力相垂直 ，也即裂纹长度等于撕裂尖端之间最大的轴向距离。在给定铝罐工作内压的条件下 ，应力强度因子随初始裂纹长度的增加而增加 ，当应力强度因子的值等于材料的断裂韧性时 ，铝罐处于裂纹失稳扩展的临界状态 ，也即铝罐被撞击的初始裂纹长度接近于裂纹失稳扩展的临界长度。 给出了铝罐内压与临界裂纹长度的关系 ，并给出未失稳的实验点 ，后壁失稳的实验点取未失稳实验后壁裂纹的平均长度。由图可见 ：采用两个公式 ，在铝罐失稳扩展的临界压力为 0125MPa 时 ，临界裂纹长度位于 13～14mm 之间 ，当压力大于 0125MPa 时 ，随压力增加 ，临界裂纹长度是逐渐减小的。在实验 G10 中 ，内压为 011MPa 时 ，后壁的损伤为一个向外翻的穿孔 ，具有一个 10mm的轴向撕裂 ，但这种撕裂并未引起裂纹失稳扩展 ，因为裂纹的长度比采用公式预报的临界裂纹长度 26mm 小。当压力增大到 013MPa 时 ，预报的临界裂纹尺寸为 12mm ，但实际弹丸撞击产生的初始裂纹平均长度为 10mm ，铝罐却发生失稳扩展。方程预报的临界裂纹长度比实际的裂纹长度略大 ，过估了临界裂纹长度。这表明铝罐内充入一定压力的气体后 ，其失稳可能还受其他因素的影响 ，如激波作用、动态断裂韧性等动态因素的影响。应该研究采用更精确先进的断裂力学方法来确定临界裂纹尺寸。
5结论
通过充气铝罐的高速撞击实验研究可以得到如下结论 ：
（1） 未防护充气铝罐高速撞击损伤的主要形式为前壁伴随撕裂的穿孔和后壁的裂纹失稳扩展 ；压力超过临界压力且弹丸的动能比较大时 ，产生前壁和后壁的裂纹失稳扩展。
（2） 防护铝罐高速撞击损伤的主要形式是前壁的裂纹失稳扩展。
（3） 在相同撞击条件下 ，充气铝罐随着其内压力的增加 ，裂纹失稳扩展存在一个临界内压值 ，这个临界压力近似为 0125MPa.内压大于临界压力值 ，铝罐发生裂纹失稳扩展 ；小于这个临界压力值 ，铝罐发生具有撕裂的穿孔损伤。
（4） 采用 Folias 和 Erdogan 应力强度因子预报的临界裂纹尺寸比实际的临界裂纹尺寸略大 ，需研究更精确先进的方法来确定临界裂纹尺寸。