CC BY
7
УДК 620.17
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-8-122-127
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗГОНА МАЛОРАЗМЕРНОЙ ТВЕРДОЙ ЧАСТИЦЫ С ПОМОЩЬЮ ГАЗОГЕНЕРАТОРА
Э.Г. Синельников, М.В. Житный
Показаны результаты численного моделирования процесса разгона сферического тела с помощью кумулятивных зарядов малой мощности. Показано изменение значения напряжения, возникающего внутри тела при его разгоне, а также изменение скорости тела при различных начальных условиях.
Ключевые слова: малоразмерная твердая частица, высокоскоростное соударение, кумулятивный генератор.
В связи с возрастанием загрязнения космического пространства, высокоскоростное воздействие частиц техногенного мусора становится основным фактором повреждения космических аппаратов (КА). Такое высокоскоростное ударное воздействие малоразмерных твердых частиц (МТЧ) приводит к повреждению как отдельных элементов КА с частичной потерей функционирования, так и полному нарушению работоспособного состояния КА [1].
Проведенные исследования показали, что в зависимости от параметров орбит КА и МТЧ значение их относительной скорости встречи может находиться в достаточно большом диапазоне от 1 до 15 км/с [2]. Для проведения экспериментальных исследований ударного воздействия МТЧ на элементы конструкции КА в диапазоне относительных скоростей встречи до 5 км/с в Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского применяется двухступенчатая легкогазовая установка (ЛГУ) [3]. Однако конструкция данной ЛГУ не позволяет обеспечить разгон имитатора МТЧ до скоростей свыше 5 км/с. При этом большой интерес представляет исследование результатов высокоскоростного ударного взаимодействия на скоростях в интервале от 5 км/с до 10 км/с.
В настоящее время для достижения таких скоростей в практике используют различные виды ускорителей: ЛГУ с удлиненным трактом разгона, электромагнитные ускорители, взрывные ускорители и т.д. К группе взрывных ускорителей относятся кумулятивные генераторы, которые обеспечивают достижение достаточно больших скоростей метаемого тела за счет кинетической энергии кумулятивной струи продуктов взрывчатого превращения метательного заряда.
Проведение натурных экспериментов с применением кумулятивных генераторов требует достаточно больших материальных затрат, а также сопряжено с проведением работ, связанных с повышенной опасностью. Поэтому в настоящее время в Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского проводятся исследования возможности использования небольших кумулятивных генераторов для разгона МТЧ на основе результатов численного моделирования.
В ходе исследований рассматривались четыре основных вида кумулятивных генераторов [4, 5], схемы которых представлены на рис. 1.
В данной статье рассматривается моделирование процесса разгона имитатора МТЧ с помощью кумулятивного генератора с конической выемкой (рис.1, г).
Основная задача численного моделирования заключалась в оценивании максимально возможной скорости разгона имитатора МТЧ, обеспечиваемой рассматриваемым типом генератора, а также состояния имитатора, а именно возникающих в нем напряжений, в процессе разгона.
Численное моделирование проводилось с применением универсальной программной системы конечно-элементного анализа ANSYS модуля Mechanical.
122
Общие начальные условия численного моделирования: форма МТЧ: сфера диаметром 2 мм; материал: сталь.
в г
Рис. 1. Типы кумулятивных генераторов: а — кумулятивный генератор с цилиндрической облицовкой; б — генератор Войтенко; в — кумулятивный генератор со сферической выемкой; г - кумулятивный генератор
с конической выемкой
В процессе исследований проверялось влияние угла раствора конуса кумулятивного генератора и положения МТЧ относительно вершины этого конуса.
Численное моделирование проводилось для нижеприведенных условий:
1. Угол конуса кумулятивного генератора 2а=60°.
1.1 Расстояние от вершины конуса до центра МТЧ равно 8,7 мм (рис.2).
1.2 Расстояние от вершины конуса до центра МТЧ равно 13,7 мм.
1.3 Расстояние от вершины конуса до центра МТЧ равно 18,7 мм.
2. Угол конуса кумулятивного генератора 2а=50°;
2.1 Расстояние от вершины конуса до центра МТЧ равно 8,7 мм.
2.2 Расстояние от вершины конуса до центра МТЧ равно 13,7 мм.
2.3 Расстояние от вершины конуса до центра МТЧ равно 18,7 мм.
3. Угол конуса кумулятивного генератора 2а=40°.
3.1 Расстояние от вершины конуса до центра МТЧ равно 8,7 мм.
3.2 Расстояние от вершины конуса до центра МТЧ равно 13,7 мм.
3.3 Расстояние от вершины конуса до центра МТЧ равно 18,7 мм.
Зависимости изменения скорости МТЧ и характерных напряжений, возникающих в МТЧ, от времени, полученные в результате моделирования для условий (п. 1.1) представлены на рис. 3 и 4.
Результаты численного моделирования представлены в таблице.
Из таблицы видно, что ударные нагрузки, возникающие в МТЧ (за исключением случая п. 3.2), не превышают предела текучести стали (890 МПа). Это обстоятельство позволяет заключить, что при таких условиях МТЧ сохраняет структурную целостность, однако в ряде случаев может происходить изменение его первоначальной формы. Поэтому для обеспечения снижения уровня общих нагрузок, действующих на имитатор МТЧ, в дальнейшем целесообразно вводить в конструкцию генератора специальный демпфирующий элемент, обеспечивающий защиту имитатора от ударных пиковых нагрузок.
Результаты анализа влияния формы кумулятивного генератора и расстояния, характеризующего расположение МТЧ относительно вершины генератора, на значение максимальной скорости, достигаемой имитатором МТЧ, приведены на рис.5 и 6.
Рис. 2. Схема расположения МТЧ (расстояние 8,7 мм)
А
г ^
I
т ^
м
Рис. 3. Напряжения в МТЧ (расстояние 8,7мм):-----максимальные
значения напряжений в отдельных частях МТЧ; — ■ — ■--среднее значение
напряжения в МТЧ;------- минимальные значения напряжений
в отдельных частях МТЧ
Анализ рис. 5 и 6 позволяет сделать следующие выводы:
максимальное значение скорости, достигаемой имитатором МТЧ (7500 м/с), обеспечивает применение кумулятивного генератора с углом конуса равным 500 (рис.23);
величина расстояния между центром имитатора МТЧ и вершиной конуса генератора в исследуемых пределах, в значительной степени влияет на значение скорости имитатора для всех форм рассматриваемых генераторов;
применение генераторов с значениями угла конуса 2а=50° и 2а=60° имеет потенциал для увеличения значения скорости имитатора при увеличении расстояния между центром имитатора МТЧ и вершиной конуса.
3000,
2000,
/
I '
I !
1000, I I I
I ! ! к./
/ / / /
/
/
0. -"--—•-г-
0, 2,5е-$ 5,г$ 7,51.$ 1,00«1-5
М
Рис. 4. Скорость МТЧ (расстояние 8,7 мм):
---максимальные значения скорости в отдельных частях МТЧ;
среднее значение скорости МТЧ;-------минимальные значения
скорости в отдельных частях МТЧ
8000 м/с
7000
6000
5000
4000
7,6
12,6
17,6
2а
40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60
Рис. 5. Зависимость максимальной скорости МТЧ от угла конуса кумулятивного
генератора
8000 м/с 7000
6000
5000
4000
мм
10
12
14
16
18
20
Рис. 6. Зависимость максимальной скорости МТЧ от расстояния центра МТЧ до вершины конуса кумулятивного генератора
6
8
Результаты численного моделирования.
№ опыта Угол конуса кумулятивного генератора, 2а (градусы) Расстояние от вершины конуса до центра МТЧ (мм) Максимальная скорость отдельных частей МТЧ (м/с) Максимальные напряжения в отдельных частях МТЧ (МПа)
1.1 60 8,7 4592 223
1.2 13,7 5326 553
1.3 18,7 6404 772
2.1 50 8,7 5389 15
2.2 13,7 6389 707
2.3 18,7 7615 186
3.1 40 8,7 4994 17
3.2 13,7 6845 1906
3.3 18,7 6465 381
Таким образом, результаты проведенного численного моделирования показывают, что применение кумулятивных генераторов позволяет обеспечить разгон имитатора МТЧ до скоростей, превышающих 5 км/с. Вместе с тем для получения оптимальных характеристик кумулятивного генератора необходимо провести дополнительные исследования для генераторов с значениями угла конуса 2а=50° и 2а=60°, заключающиеся в увеличении расстояния между имитатором МТЧ и вершиной конуса генератора, с целью определения максимальной скорости имитатора, обеспечиваемой такой формой генератора.
Список литературы
1. ОСТ 134-1031-2003. Изделия космической техники. Общие требования по защите космических средств от механического воздействия частиц естественного и техногенного происхождения (введ. 09.01.03). М.: Российской авиационно-космическое агентство, 2003. 12 с.
2. Гончаров П.С., Житный М.В. Методика подготовки данных для экспериментальных исследований взаимодействия высокоскоростных частиц с элементами конструкции космического аппарата // Известия Тульского государственного университета, 2017. Вып. 11. Ч. 3. С 68 - 75.
3. Мартынов В.В., Житный М.В. Конструкция легкогазовой установки с демпфирующими элементами // Известия Тульского государственного университета. 2016. Вып. 12. Ч. 1. С. 124 -131.
4. Высокоскоростные ударные явления под ред. Р.Кинслоу, 1973.
5. Экспериментальные исследования воздействия высокоскоростных тел на элементы конструкции противомикрометеоритной защиты орбитальных станций и космических аппаратов: Отчет по НИР №10195 (научный руководитель С.Ветелев). СПб, ВКА им. А.Ф.Можайского, 1995. 74 с.
Синельников Эдуард Геннадьевич, старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Житный Михаил Владимирович, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник, vka@,mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
NUMERICAL SIMULATION OF THE ACCELERATION PROCESS OF A SMALL-SIZED SOLID PARTICLE USING A GAS GENERATOR
E.G. Sinelnikov, M.V. Zhitnyy 126
The results of numerical simulation of the process of acceleration of a spherical body using shaped charges of low power are shown. The change in the value of the stress arising inside the body during its acceleration is shown, as well as the change in the speed of the body under different initial conditions.
Key words: small-sized solid particle, high-speed collision, cumulative generator.
Sinelnikov Eduard Gennadievich, senior researcher, vka@ mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Zhitnyy Mihail Vladimirovich, candidate of technical science, docent, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
УДК 004.02
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-8-127-134
ИЗМЕРЕНИЕ И АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ПОХОДКИ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ
А.В. Греченева, Н.В. Дорофеев, М.С. Горячев
В данной работе исследовалась возможность оценки параметров походки человека в условиях постоянного перемещения датчика относительно анализируемого объекта. Кроме этого, исследование параметров походки осуществлялось с помощью только одного акселерометрического датчика, расположенного в носимом устройстве - мобильный телефон. В методику исследования были включены основные типы движений, которые совершаются в повседневной жизни человека при ходьбе. Полученные результаты необходимы для персонализированных средств оценки здоровья опорно-двигательного аппарата, а так же для средств биометрической аутентификации пользователей.
Ключевые слова: анализ походки, мобильный телефон, акселерометр.
Развитие интеллектуальных технологий, накопление и обработка разнородных данных позволяют на практике решать новые классы задач во всех областях. В частности, разработка новых подходов к сбору и последующему анализу биометрических данных способствует развитию функционала интеллектуальных систем, например, усовершенствование технологии доступа (идентификации и аутентификации и т.п.) к сервисам, внедрение новых интеллектуальных средств для персонализированной медицины (дистанционная диагностика, «прозрачный» мониторинга здоровья и т.п.) [1, 2, 3]. Существует множество биометрических параметров, а также способов их регистрации и обработки [4, 5, 6, 7, 8]. На данный момент наиболее распространенными средствами регистрации биометрических параметров являются: видео- и фото камеры, микрофоны (внешних и персональных устройств) [9, 10, 11]. Реже используются (менее масштабно) для фиксации биометрических показателей датчики носимых устройств (мобильных устройств, смарт браслетов): сканер отпечатков пальцев, датчики давления и пульса, акселерометры и гироскопы, сенсорные экраны [12]. Анализируемыми биометрическими параметрами являются параметры лица, походки, поведения, сердечно-сосудистой системы, голоса, и другие. При анализе походки у данных способов регистрации есть свои существенные преимущества и недостатки [13-18]. Следует отметить, в оценка параметров походки по данным одного датчика носимого устройства в настоящий время рассматривалась поверхностно. Применяемое в носимых устройствах программное обеспечение позволяет только выделять малое количество движений (ходьба, бег,
