CC BY
8
УДК 620.17
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-65-69
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗГОНА МАЛОРАЗМЕРНОЙ ТВЕРДОЙ ЧАСТИЦЫ С ПОМОЩЬЮ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА
Э.Г. Синельников, М.В. Житный, Т.Ю. Девяткина
Показаны результаты численного моделирования процесса разгона малоразмерной твердой частицы с помощью кумулятивного генератора с цилиндрической облицовкой. Приведены зависимости изменения скорости малоразмерной твердой частицы от времени при различных начальных условиях. Получены оценочные данные по максимальной скорости разгона малоразмерной твердой частицы цилиндрическим кумулятивным генератором.
Ключевые слова: малоразмерная твердая частица, высокоскоростное соударение, кумулятивный генератор, цилиндрическая облицовка.
В настоящее время высокоскоростное воздействие частиц техногенного происхождения становится основным фактором повреждения космических аппаратов (КА). Такое высокоскоростное ударное воздействие малоразмерных твердых частиц (МТЧ) может привести к повреждению как отдельных элементов КА с частичной потерей функционирования, так и к полному нарушению работоспособного состояния КА [1]. Наиболее опасны столкновения КА с МТЧ, имеющими размер до 5 мм. Выполнить прогноз столкновения с такими МТЧ практически невозможно. Из-за малого времени от момента регистрации МТЧ такого размера до момента встречи с КА маневр уклонения КА от встречи не может быть выполнен. Поэтому возникает необходимость дополнительно исследовать результаты взаимодействия таких МТЧ с КА с целью выработки способов защиты.
При изучении баллистического предела прочности элементов защиты КА скорость встречи КА с МТЧ принято делить на три диапазона [2]:
- первый диапазон до 3500 м/с;
- второй диапазон от 3500 до 7000 м/с;
- третий диапазон от 7000 до 15000 м/с.
Для проведения экспериментальных исследований ударного воздействия МТЧ на элементы конструкции КА в диапазоне относительных скоростей встречи до 3500 м/с в Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского применяется двухступенчатая легкогазовая установка (ЛГУ) [3].
Разгон МТЧ до максимальных скоростей второго диапазона при помощи ЛГУ очень затруднителен. В настоящее время для достижения таких скоростей в практике используют другие виды ускорителей: ЛГУ с удлиненным трактом разгона, электромагнитные ускорители, взрывные ускорители.
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 больших материальных затрат.
Поэтому в настоящее время в Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского проводятся исследования возможности использования различных видов небольших кумулятивных генераторов для разгона МТЧ на основе результатов численного моделирования.
На рис. 1 представлены четыре основных вида кумулятивных генераторов
[4, 5].
В статье [6] было рассмотрено моделирование процесса разгона имитатора МТЧ с помощью кумулятивного генератора с конической выемкой (рис.1 г). В зависимости от начальных условий результирующая скорость имитатора МТЧ находилась в диапазоне от 4592 м/с до 7615 м/с.
В данной статье рассматривается моделирование процесса разгона имитатора МТЧ с помощью кумулятивного генератора с цилиндрической облицовкой (рис.1 а) [7,8] .
Основная задача численного моделирования заключалась в оценивании значения максимально возможной скорости разгона имитатора МТЧ, обеспечиваемой рассматриваемым типом генератора.
Численное моделирование проводилось с применением специального программного обеспечения конечно-элементного анализа ANSYS.
кумулятивный генератор с цилиндрической облицовкой
генератор Войтенко
кумулятивный генератор со сферической выемкой
кумулятивный генератор с конической выемкой
Рис. 1. Типы кумулятивных генераторов
Общие начальные условия численного моделирования: форма МТЧ: сфера диаметром 2 мм; материал: сталь 3; взрывчатое вещество - октол;
диаметр кумулятивного генератора с цилиндрической облицовкой - 40 мм. В процессе моделирования проводилось исследование влияния положения МТЧ относительно точки инициирования заряда в соответствии с рис.2.
Численное моделирование проводилось для следующих условий: 1г = 8,6 мм; 12 = 13,6 мм; 13 = 18,6 мм (рис.2), где 1Ъ 12,1з - расстояния от инициирующего заряда до центра МТЧ.
I
мм
Рис. 2. Схема расположения МТЧ: 1 - МТЧ, 2 - кумулятивный генератор с цилиндрической облицовкой; 3 - цилиндрическая облицовка; 4 - инициирующий заряд
Зависимости изменений скоростей МТЧ от времени, полученные в результате моделирования для разных начальных условий представлены на рис. 3.
Результаты численного моделирования представлены в таблице.
V
Рис. 3. Зависимости скоростей МТЧ при различных начальных условиях: - значения скорости МТЧ при 1г = 8,6 мм;
---—----значения скорости МТЧ при 12 = 13, 6 мм;
.................. - значения скорости МТЧ при 13 = 18, 6 мм
Результаты численного моделирования
№ опыта Расстояние от вершины конуса до центра МТЧ, (мм) Максимальная скорость отдельных частей МТЧ, (м/с)
1 8,6 1897,3
2 13,6 3118,2
3 18,6 4117,1
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
кумулятивный генератор с цилиндрической облицовкой может обеспечивать максимальное значение скорости, достигаемой имитатором МТЧ, равное 4117,1 м/с;
величина расстояния между центром имитатора МТЧ и точкой инициирования в значительной степени влияет на значение скорости имитатора;
максимальная скорость имитатора МТЧ достигается в позиции МТЧ, соответствующей самому удаленному расстоянию от места инициирования заряда.
Таким образом, результаты проведенного численного моделирования показывают, что применение кумулятивных генераторов с цилиндрической выемкой позволяет обеспечить разгон имитатора МТЧ до скоростей, не превышающих 4117,1 м/с при данных размерах имитатора МТЧ.
В качестве дальнейшего направления исследований генераторов такого типа и для получения их оптимальных характеристик целесообразно провести дополнительные исследования по определению скорости имитатора МТЧ при его расположении ближе к срезу заряда.
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. Тимофеев Н.М., Ветелев С.С., Прохватова И.С. Методика построрения кривой баллистического предела прочности защиты КА от элементов космического мусора // Научно-технический сборник МО РФ, 1997. С 35 - 39.
3. Мартынов В.В., Житный М.В. Конструкция легкогазовой установки с демпфирующими элементами // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 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.
6. Синельников Э.Г., Житный М.В. Численное моделирование процесса разгона малоразмерной твердой частицы с помощью газогенератора // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 8. Ч. 1. С. 259 -264.
7. Титов В.М., Фадеенко Ю.И., Титова Н.С. Разгон твердых тел кумулятивным взрывом // Доклады АН СССР. 1968. Т. 180. №5. С. 1051 - 1052.
8. Леконт К. Высокоскоростное метание // В кн.: Физика быстропротекающих процессов. Под ред. Н А. Златина. М.: Мир, 1971. Т. 2. 252 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,
Девяткина Татьяна Юлиановна, младший 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 CYLINDRICAL GAS
E.G. Sinelnikov, M. V. Zhitnyy, T.Y. Devyatkina
The results of numerical modeling of the process of acceleration of a small particulate matter with the help of a cumulative generator with cylindrical lining are shown. Dependencies of the change in the speed of a small solid particle on time under different initial conditions are given. Estimated data on the maximum acceleration rate of a small particle with a cylindrical cumulative generator have been.
Key words: small-sized solid particle, high-velocity impact, cumulative generator, cylindrical cladding.
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,
Devyatkina Tatiana Yulianovna, junior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
