CC BY
13УДК 629.785
й01: 10.25206/2588-0373-2021-5-1-71-79
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ УДАРНОГО ВНЕДРЕНИЯ ПЕНЕТРАТОРОВ В ГРУНТ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ
Е. В. Леун1, А. А. Поляков1, С. А. Защиринский1, В. К. Сысоев1, К. М. Пичхадзе2, В. В. Шалай3
'АО «НПО Лавочкина», Россия, 141402, г. Химки, Московская область, ул. Ленинградская, 24 2Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Россия, 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4 3Омский государственный технический университет, Россия, 644050, г. Омск, пр. Мира,11
I ■
сл
О
II
1 иг N1
ОИ О О Е н Т х
>О
2 А
■К р О
Е о
В статье обсуждаются условия возникновения так называемого инерциального взрыва при ударном внедрении металлического пенетратора с аппаратурой для научных исследований в грунт небесных тел и меры по недопущению этого. Показано, что основным параметром, определяющим возможность возникновения инерциального взрыва у металлических пенетраторов, является критическая перегрузка О^, превышающая определенное пороговое значение, индивидуальное каждому металлу. Обсуждаются вопросы влияния криогенных температур космических условий эксплуатации пенетраторов на снижение критической перегрузки Скр. Рассматриваются способы компенсации или минимизации этих негативных особенностей. Определены значения критической перегрузки СирГ соответствующие земным и космическим условиям эксплуатации для ряда сплавов и высокочистых металлов, широко используемых в ракетно-космической технике. Также оценивается уровень максимальной перегрузки, выдерживаемой научной аппаратурой, для современного уровня развития технологий.
Ключевые слова: космические исследования, небесное тело, пенетратор, ударное внедрение, высокоскоростной удар, перегрузка, критическая скорость, подповерхностный грунт, инерци-альный взрыв.
■О
< К ОО
Введение
Для космических исследований параметров небесных тел и их подповерхностного грунта разрабатываются и создаются малые космические аппараты в виде специальных устройств — пенетраторов для доставки научной аппаратуры (НА) в грунт исследуемого тела. Пенетраторы подобны большой игле с заостренным металлическим наконечником, выводятся в космическое пространство и запускаются в направлении исследуемого небесного тела для последующего ударного внедрения в него. Для исследования Луны, Марса и других небесных тел [1 — 8] разрабатывались пенетраторы, движущиеся после запуска по инерции, т.е. инерционные пенетраторы (в дальнейшем — пенетратор).
Конструкции пенетраторов постоянно совершенствуются, и к 2017 году в России был разработан новый тип пенетратора на основе кристаллической модификации льда [3] с возможностью не только выдерживать высокую ударную нагрузку, но и удаления его после внедрения за счет сублимации льда.
Процесс ударного внедрения пенетратора в грунт небесного тела является наиболее важным событием, существенно влияющим на его последующую работоспособность. При высокой ударной перегрузке использование металлических изделий (наконечник, элементы конструкции, припои в НА) может приводить к их т.н. инерциальному взрыву,
способному негативно повлиять на эффективность всей научной миссии. Этот вопрос недостаточно полно описан в печати, и статья направлена на частичное устранение этого недостатка.
Постановка задачи
В связи с вышесказанным задачами данной работы является определение предельных значений перегрузок, возникающих при ударном внедрении пенетраторов в грунт небесных тел в космических условиях, не приводящих к инерциальному взрыву его металлических элементов и радиоэлектронной аппаратуры.
Теория
В этом разделе рассмотрены физико-технические основы возникновения негативных последствий высокоскоростного внедрения пенетратора в грунт небесного тела, связанные в первую очередь с инерциальным взрывом металлических частей пенетратора, а также вопросы ударостойкости научной аппаратуры.
1. Особенности высокоскоростного удара пенетратора при внедрении в грунт небесного тела.
Как следует из многочисленных работ, посвященных особенностям и последствиям высокоскоростного удара металлов в высокопрочную преграду, возникающая ударная нагрузка может
приводить к т.н. инерциальному взрыву металла. В этом случае поведение металла становится почти полностью подобным взрыву взрывчатых веществ, таких как тротил и др.
Физическая природа такого явления упр ощенно описывается тем, что при высокоскоростно м удар е, приводящем к высокой перегрузке G, кристаллическую решетку металла наконечника за счет сил инерции начинают упорядоченно покидать подвижные заряженные частицы — электроны. Большое число вышедших электронов, их значительеый пе -ток становятся критичным для прочности самой кристаллической решетки, приводя в итоге к ее лавинообразному разрушению и взрыву с выбросом мелких осколков металла и энергии (в том числе в виде свечения, высокотемпературной атомно-па-ровой смеси металла, ударной волны), уроеень которой превышает запасенную кинетическую энергию двигавшегося металлического птнетратора.
В работах [9—11] обосновывается с вязь между критической скоростью и параметрами кристаллической решетки металла наконечника пенетратора:
tefe тр ■ А
(1)
0,75 <f< 1.
(2)
кр д
д -At g
g y-
tefe
2fe
de
1 de 1
.. °L . (3)
■ AA ■ í
Пара метр — в ур авнении (3) о пределяет коли-М
чество электронов л, покинувших кристаллическую решетку за единиц веемени п ри в недренри пе не -тратора, т.е. поток таряженнын частиц, изменяющий ее суммарный заряд на значение Дд=ле, что эквиваленено электрическому току I:
de Aq dt ~ At '
At
(4)
где тр = 1,67 10-27 кг — масса протона; А — атомная масса металла наконечника; е = 1,6^ 10-19 Кл — заряд электрона, используемый для перевода единицы энергии из джиулей (Дж) в нлектронвольты (эВ), 8 — энергия меыалличмской связи мцтериала наконечника пенетратора, эВ^атом-1[12], / — коэффициент эффективнр сти удара.
Значение коэффициента / определяется экспериментально для разных металлов и отражает вероятность того, что металлический наконечник разрушится или взоркется при ударе следствие нарушения металлической свяки е атомов в его кристаллах. Как правилт, он лежит в диапазоне [13]:
где кэл — ко эф фициент, учитывающий электрические и конструктивные особенности металла, в том числе: удельное флектрическое сопротивление рэл и его ^(^висимо—ть от температуры рэл(Т), средние длина и площадь поперечного eeчения металлического наконечндка прнАтратора.
И тогда, с учетом этого, выражение (3) немного изменится, подтверждая электрическую природу инерциальногов зрыва одним из основоположников ракетно-космической техники Глушко В. П. [15] при критичесоом зе<ачени]и электрического тока 1кр, как и показан о к [9 — 11]:
—„„ е-
К. -1„
fe
д V 2тр • А - e
(5)
Этот подход, вероятно, может быть вполне логичен для исследовтний, связанных с оружейной тематикой по отрабетке эффективности броне-пробивания различных высокопрочных преград (мишеней) из материалов с близкими значениями прочности. В таких случаях значение критической скорости можно испотзовать как референтный информативный параметр дло расчета условий возникновения инерциального взрыва.
Однако, несмотря на то, что пенетратор имеет много общего с бронебойным снарядом, в качестве мишени могут быть грунты небесных тел с существенно большим разбросом прочностных характеристик: от лунного реголита («10 МПа) до высокопрочного реголита астероидов, приближающегося к высокопрочным бетонам («100 МПа) [14]. Поэтому для анализа всех нюансов ударного внедрения пенетратора более обоснованно использовать не критическую скорость урр, а критическую перегрузку Gpp. Выражение для Gpp можно получить, используя производную выражения (1) с учетом того, что парамет;ы тр, А, 8, / являются постоянными коэффициентами:
Полученное вьфажение в наиболее явном виде демонстрирует электриыескую природу условий инерциального взрыва металлов. Этим подтверждаются многочисленные натурные экспериментальные исследо ания проведенных ранее в земных условиях с окружающими температурами Торр«±40 °С и абсолютным атмосферным давлением Р = 1 атм.
атм
2. Определение перегрузчи Gpp, приводящей к инерциальному взрысу, длк металлов и их сплавов по глубине внедрения в преграду в земных условиях.
При использовании микроамперметра, согласно формуле (5), можно было бы комплексно исследовать все особенности высокоскоростного удара металлического пенетратора, фиксируя значение I, соответствую ее условиям возникновения инер-циального взрыва разных металлов или их сплавов при разных скоростях и изменении других исходных данных. Однако пока подобные эксперименты трудно осуществимы и еще не были реализованы на практике, поэтому более доступен и распространен способ определения Gpp по глубине кратера (воронки, каверны) 1рр, создаваемому в материале преграды.
Согласно результатам многочисленных экспериментов с измеренными глубинами кратеров при высокоскоростном ударе свинцового ударника (пули, снаряда) по металлической высокопрочной преграде для свинца определено значение урр=702 м/с [9—11]. Будем считать этот случай с инерциальным взрывом референтным, имеющим начальную скорость внедрения Унач = ур при 1рр = 0,035 м для экспериментов со свинцовым ударником, описанных в [9—11]. В этом случае ударник тормозится до полной остановки пенетратора (Урон = 0 м/с), а перемещение равно длине каверны: 1=1рр. И тогда можно записать выражение для расчета перегрузки G, измеряемой в д:
р
n ■ e
KJ
Н е
тр - А
72
Таблица 1. Физико-технические характеристики металлов и их сплавов, определяющие параметры высокоскоростного удара пенетратора при внедрении в грунт небесного тела
Table 1. Physical and technical characteristics of pure metals and their alloys that determine the parameters of the high-speed impact of the penetrator when the celestial body is embedded in the ground
№ Тип материала Металл Атомная масса А, а.е.м. Энергия связи е, эВатом-1 Критическая температура Т, К Критическая скорость VKp, м/с Перегрузка при инерц. взрыве Gp в земных условиях, млн, g Перегрузка при инерц. взрыве G в космосе, млн, g
1 Свинец/олово * * * 526 0,395 0,26
2 в Латунь * * * 755 0,81 0,54
3 а < а и Бронза * * * 1245 2,21 1,48
4 Нерж. сталь * * * 1412 2,848 1,90
5 Д/алюминий * * * 1865 4,97 3,31
6 Цезий 133 0,827 ** 558 0,445 0,015
7 Свинец 207 2,04 7,2 702 0,704 0,023
8 Висмут 209 2,15 0,00053 717 0,734 0,024
9 Кадмий 112,4 1,16 0,5 718 0,736 0,025
10 Барий 137 1,86 ** 823 0,968 0,032
11 Цинк 65,4 1,35 0,9 1006 1,446 0,048
12 Индий 115 2,6 4,3 1063 1,614 0,054
13 Уран 238 5,405 0,8 1066 1,623 0,054
14 1 Олово 119 3,12 3,7 1145 1,873 0,062
15 та а м Тантал 181 8,089 4,5 1495 3,193 0,106
16 си Вольфрам 183,8 8,66 0,015 1535 3,366 0,112
17 ст Я Медь 64 3,5 ** 1660 3,937 0,131
18 Цирконий 91 6,32 0,55 1863 4,958 0,165
19 Молибден 96 6,81 0,92 1883 5,065 0,169
20 Никель 58,7 4,435 ** 1944 5,399 0,180
21 Железо 55,8 4,29 ** 1960 5,488 0,183
22 Ниобий 93 7,47 9,2 2004 5,737 0,191
23 Титан 48 4,855 0,4 2249 7,226 0,241
24 Алюминий 27 3,34 1,2 2487 8,836 0,295
25 Бериллий 9 3,33 0,03 4301 26,427 0,881
I ■
О
IS 1> N1
OS g о E н T x >0 z А
■ К p О
wh
E о
О
< К
о о
N А
Примечание:
нет данных,
металл не становится сверхпроводником
г =
ин f, 1
g ШР
2 2 v v
кр
кр
0,7
(6)
С учетом этого определены значения критической перегрузки , приводящей к инерциальному взрыву для многих металлов и их сплавов при коэффициенте эффе ктивности удара /=0,25 [10], которые представлен ы в табл. 1 и на рис. 1.
Как следует из [9—11], энергия связи для сплавов обычно меньше, чем у чистых металлов, поэтому можно допустить, что значение критической скорости сплава -0,75^ металла большей пропорции или 0,75 от металла с меньшим Укр для равных пропорций:
у =0,75у .
спл ' кр
(7)
Рис. 1. Графики перегрузки металлов G^, приводящей к инерциальному взрыву для земных условий: для сплавов
и чистых металлов Fig. 1. Graphs of tip overload resulting in an inertial explosion for Earth's temperatures for alloys and pure metals
Сплав олово-свинец составляет основу самых распространенных в радиоэлектронике припоев оловянно-свинцовый (ПОС) с изменением пропорций в диапазоне от 10/90 до 90/10. Ориентируясь на припой ПОС 50 с равными (50/50) пропорциями олова и свинца с учетом условия (5), получаем V =0,75у =0,75702 = 526 м/с.
пос св
Латунь и бронза являются самыми известными сплавами с участием меди с добавками цинка и олова (без учета других легирующих добавок), поэтому можем принять V =0,75у =0,754660«
1 лат цин
«755 м/с и V, =0,75у =0,754660=1245 м/с соот-
бр ' мед '
ветственно.
чистое олово
f олово
/с примесями
а) б)
Рис. 2. Зависимости удельного электрическогосопротивле-ния рэл (взяты из [16]: для обычных металлов и сверхпроводников от температуры Т вблизи критической температуры Тс (а), от наличия примесей в металле, на примере олова (б). Fig. 2. Dependences of the specific electric resistance pe (taken from [16]: for ordinary metals and superconductorson the temperature Тnear the critical temperature Tc (a),fromthe presence of impurities in the metal, for example, pewter(b)
ра примере олова [16]. Имза ирменениы уцтлыгого электдич еского сопротивления рэл также меняется и значение к : к ^ к' : и, соответственно, с учетом
эл эл эл ' ' ^
принципа подобия можно записать выражение (5) в новом виде:
G' = ■
к', • I
g
fe
2mp • A • e
(8)
где к'дл — коэффициент, учитытающий электрические и конструктивные особенности металла с учетом космических услявий.
С учетом тышесказанного можно уверенно сродколагать, что значения кл превышают к'эл: к > к' . Учитывая это и связь между к > к'
эл эл эл эл
с удельными электрическими сопротивлениями р и ч'эе для земных и космических температур соот-тетстверно, можно записать соотношение для выражений (5) и (8):
У нержавеющей стали и дю;алюминия, нацр более часто используемых в ракелно-мосмичн-ской технике сплавов, основу составе ют железо и алюминий, поэтому имеем у = 0,75у = 1412 м/с
' ^ нж ' жел
и у = 0,75 у =1865 м/с соответственно.
дюр ал
Первыми из состава чистых мнталлов в табл. 1 стоят цезий и свинец. Это лучший материал дод экспериментального исследования взрыва снарядов, поскольку оба металла распадаюмсс кфи скорости, доступной стрелковому оружию. Снарл°ы из обедненного урана требуют более высокой скорости, которую обеспечивают артиллерийские системы. Алюминий, и особенно бериллиЫ, меые е в сего подвержен данному эффекту [10].
3. Определение перегрузри С'кр, приводящей р инерциальному взрыву, для металлов и их сплавов в росмичесрих условиях.
Фактическая эксплуатация пенетратора перед ударным внедрением соответствует космическим условиям, как правило, близким к криогенным температурам и вакууму. Это обусловливает существенное уменьшение удельного электрического сопротивления рэл, для обычных металлов (рис. 2а), приближая к возможности проявления эффекта сверхпроводимости для сверхпроводников (рис. 2а) или меняя зависимость рэл(Т) для сплавов или металлов с примесями, как показано на рис. 2б
N =
G'
k'
Рэл
РЭл
(9)
Физический смысл этой формулы в том, что она показывает повышение вероятности появления инерциаль ого взрыва в космосе по сравнению с земными условиями, обусловленного снижением значений электрических параметров металла, а еменно удельного электрического сопротивления Чэе . Это может быть связано с ослаблением собственных сил кристаллической решетки металла при криогенных температурах, чтобы препятствовать вылету из нее электронов при ударном воздействии.
На рис. 3 [17] приведены графики зависимостей удельного электрического сопротивления рэл от температуры Т для разных металлов (рис. 3а), их чистоты (на примере алюминия с изменением чистоты от 99,2 % до 99,999 %) (рис. 3б) и состава сплава (на примере нержавеющей стали 12Х18Н10Т, рис. 3в).
С помощью вышеупомянутых графиков можно оценить значения N при переходе от обычных земных температур к криогенным (для Т<10 К). Как видно из вышеупомянутых графиков N может составлять как минимум от 30 до 5000 (рис. 3а, б), а для сложных сплавов — N,^«-1,5 (рис. 3в). С уче-
1 п т,к
а) б) в)
Рис. 3. Зависимости удельного объёмного электрического сопротивления рэл от температуры Т для металлов 1 — медь, 2 — алюминий, 3 — магний, 4 — бериллий (а), для алюминия с чистотой: 1 — 99,2 %, 2 — 99,9 %, 3 — 99,99 %, 4 — 99,999 % (б),
нержавеющей стали (12Х18Н10Т) (взяты из [17]) Fig. 3. Dependences of the specific electrical resistance pel on temperature T: for different metals (a), for aluminum with different degrees of purity (b), stainless steel (12X18H10T)
(taken from [17])
G' к„ х10й£ 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00
1 ч [И С1 гы [е я ет£ и [ЛЬ I \
( \
1 г-" -- - с nj ia вь .1 \
1 \
/ >— I
1 3 5 7 9
11 ii тс п .л т, ,с № металла 11 13 15 17 19 21 23 25 (из табл.1)
Рис. 4. Графики перегрузки наконечников, приводящей к инерциальному взрыву для космических условий для сплавов и чистых металлов Fig. 4. Graphsof tipoverload resulting in an inertial explosion forspacetemperaturesfor alloys and pure metals
том этого, для дальнейших расчетов можно условно принять, что как минимум для чистых материалов N^«30 (рис. 3б), а дад сплавов — N. «1,5 (рис. 3в). Эти значения N использованы для определения значения С , расчетные значения которых приведены в табл. 1 и изображены на рис. 4. Сравнение зависимостей на рис. 1 и рис. 4 показывает, что косми -ческие условия с криогенными температурами почти в 8 раз ухудшают максимальное значения М' и по сравнению с С , а чистые металлы начинают
^ кр
уступать по этому параметру сплавам. Для сохранения высоких значений, как для Скр (рис. 1), необходимо обеспечивать обогрев металлических частей пенетратора с помощью системы обеспечения терморегулирования. Но определение более точных значений N для разных металлов с более ясным пониманием всех нюансов предполагает проведение дополнительных экспериментальных научных исследований с термовакуумными испытаниями.
Другим косвенным параметром, позволяющим оценить вероятность инерциального взрыва в космических условиях и влияющим на выбор используемых металлов пенетратора, может быть значение критической температуры перехода металла в состояние сверхпроводника. Значения Тг для некоторых металлов приведены в табл. 1, и, в соответствии с ней, металлы можно разделить условно на три группы:
1) металлы, которые не становятся сверхпроводниками (р ^0): цезий, барий, медь, никель, железо;
2) металлы, становящиеся сверхпроводниками (р «0) при Т<1 К: висмут (0,00053 К), кадмий (0,5 К) цинк (0,9СК), уран (0,8 К), вольфрам (0,15 К), цирконий (0,55 К), молибден (0,92 К), титан (0,4 К), бериллий (0,03 К);
3) металлы, становящиеся сверхпроводниками (рэл«0) при Тс>1 К: свинец (7,2 К), индий (4,3 К), олово (3,7 К), тантал (4,5 К), ниобий (9,2 К), алюминий (1,2 К).
Таким образом, с точки зрения для использования в пенетраторах, наиболее предпочтительны металлы 1-ой группы, в меньше степени — 2-ой группы и наименее желательны металлы 3-ей группы.
4. Ударостойкость научной аппаратуры и блоков их составляющих.
Имеющийся к настоящему времени научно-технический задел в области ударостойких приборов НА и блоков их составляющих позволяет положительно оценивать достигнутый уровень. Так, напри-
мер, согласно [18], для наиболее ответственного узла в виде генератора частоты на поверхностных акустических волнах и для микросхем ведущих западных стран в 2010 году значение С достигало 100 тыс. д и 100 тыс. д в течение 1 мс соответственно. Современные темпы прогресса в этом позволяют уверенно предполагать достижение значений максимальной перегрузкой до 300 тыс. д к настоящему времени.
Для отдельных элементов датчиков (пьезоак-селерометры, чувствительные элементы датчиков с проводами, но без «электронной начинки») уровень перегрузки уже к настоящему времени составил 1,5 млн д [19].
Результаты экспериментов
Характер и особенности инерциального взрыва хорошо проявляются на примере высокоскоростного удара свинцового ударника в прочную преграду, представленного на видеокадрах (рис. 5), снятых при его экспериментальной видеорегистрации [11]. В процессе такого взрыва нарушаются металлические связи ударника, приводящие к прямому переходу свинца из твердого состояния в атом-но-паровую смесь, обладающую свойствами газа с температурой, достигающей 22000 К. Время за-рождениясмеси составляет « 1 мкс. Твердые осколки свинца размером 0,5 — 3 мм появляются на месте соударения через 100—140 мкс после касания ударником преграды.
Возникший атомно-паровой поток удаляется от преграды в воздухе при нормальных условиях со сверхзвуковой скоростью, соответствующей М«2,4. Этот поток имеет две тепловые составляющие (высоко- и низкотемпературную), которые движутся с близкими скоростями.
обсуждение результатов
1. Конструкция пенетратора должна быть разработана с возможностью исключения инерциаль-ного взрыва, сопровождаемого выбросом значительной энергии, атомно-паровой смеси, высокой температурой и взрывной волной, обусловленный высокой перегрузкой Скр при ударном внедрении в грунт небесного тела.
2. Для анализа вероятности возникновения инерциального взрыва при ударном внедрении металлического пенетратора в грунт небесного тела должна использоваться критическая перегрузка Ср. Физическая основа этого взрыва имеет электрическую природу, связанную с выходом подвижных электронов из кристаллической решетки металла и ее последующим разрушением с выбросом значительной энергии. Удельное электрическое сопротивление металла рэл, описывающее степень пре-пятствования выхода электронов кристаллической решетки за ее пределы, может быть использовано для косвенной оценки критической перегрузки Скр.
3. Космические условия эксплуатации пенетра-тора перед ударным внедрении связаны со значительным уменьшением температуры Т, приводя к существенному падению удельного электрического сопротивления металла р и снижением уровня критической перегрузки Скр, которая может привести к инерциальному взрыву.
4. Для сплавов снижение удельного электрического сопротивления металла рэл для космических температур, как правило, существенно меньше вы-
О
Ii! I >
N1
OS О О E н T х >0 z А
■ К р О
wh
E о
О
< К
O О
в) г)
Рис. 5. Видеокадры движения ударника (а), фронта свечения взрывной волны (б) и атомно-паровой смеси (в, г)
(взяты из [11])
Fig. 5. Videoframes of the motion of the impactor (a), the front of the glow of the blast wave (b), and the atomic-vapor mixture
(c, d) (taken from [11])
сокочистых металлов и онц мотут иметь преимущество для использования в пенетраторе.
5. Оловянно-свинцовые припои, традиционно используемые ы раыиоэлектронной аппаратуре, имеют низкое значение перегрузки в космических условиях — Снр «260 тыс. д.
6. Современный уровень развития радиоэлектроники позволяет предположить достижение максимальной перегрузки « 300 тыс. д и 1,5 млн д для микросхем и отдельных элементов, например, для пьезоакселерометра (чувствительного элемента без «электроннойначинки»).
Выводы и заключение
1. Изменения удельного электрического сопротивления рэл при криогенных температурах оказывают существенное влияние на выбор металла пе-нетратора, в том числе его наконечника.
2. Исключение возможности инерциального взрыва металлического пенетратора от уменьшения удельного электрического сопротивления металла рэл для космических температур предопределяет необходимость его нагрева перед ударным внедрением в грунт небесного тела примерно до земных температур («293 К) за счет введения системы обеспечения терморегулирования.
3. Одним из вариантов существенного уменьшения возможности возникновения инерциально-го взрыва может быть использование в пенетрато-ре высокопрочных диэлектрических материалов, не проводящих электрический ток и не имеющих состояния сверхпроводника при криогенных температурах, например, лейкосапфир, стишовит и др.
4. Исключение возможности инерциального взрыва в научной аппаратуре может быть обеспечено за счет отказа от использования традиционных оловянно-свинцовых припоев с переходом на использование специальных припоев, выдерживающих более высокую перегрузку G и/или альтернативные способы соединения металлических элементов и проводов, например, скрутка и др.
Источник финансирования. Благодарности
Работа выполнена в инициативном порядке.
Авторы благодарят к.т.н., доцента кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» ОмГТУ, директора научно-образовательного центра «НИИРП ОмГТУ» С. А. Завьялова за советы по вопросам ударостойкости радиоэлектронных устройств.
Список источников
1. Skulinova М., Zheng W., Hu Y.-R. [et al.]. Micro-Penetrator for Canadian Planetary Exploration // World Academy of Science, Engineering and Technology. 2011. Vol. 5. P. 366 — 373.
2. Gao Y., Ellery A., Jaddou M. [et al.]. A novel penetration system for in situ astrobiological studies // International Journal of Advanced Robotic Systems. 2005. Vol. 2. P. 281286.
3. Пат. 2626792 Российская Федерация, МПК B 64 G 1/00. Способ доставки полезного груза в грунт небесного тела, обеспечения исследований грунта и небесного тела и устройство его реализации (варианты) / Шалай В. В., Пичхадзе К. М., Багров А. В., Леун Е. В. [и др.]. № 2015154859; заявл. 16.05.16; опубл. 01.08.17, Бюл. № 22.
4. Gowen R. A., Smith A., Fortes A. D. [et al.]. Penetrators for in situ subsurface investigations of Europa // Advances in Space Research. 2010. Vol. 48 (4). P. 725-742. DOI: 10.1016/j. asr.2010.06.026.
5. Gowen R. A., Smith A., Griffiths A. [et al. ]. Kinetic penetrators for Exploration of solar system bodies // 5th International Planetary Probes Workshop (IPPW-5). Bordeaux, France, 2329 June 2007. URL: http://www.mrc.uidaho.edu/~atkinson/ IPPW5/Papers/s6_4gowen02.pdf. (дата обращения: 11.12.2020).
6. Hopf T., Kumar S., Karl W. J. [et al.]. Shock protection of penetrator-based instrumentation via a sublimation approach // Advances in Space Research. 2010. Vol. 45. P. 460-467.
7. Collinson G. Planetary penetrators: the vanguard for the future exploration of the solar system // Journal of the British Interplanetary Society. 2008. Vol. 61. P. 198-202.
8. Cox R., Ong L. C. F., Arakawa M. [et al.]. Impact penetration of Europa's ice crust as a mechanism for formation of chaos terrain // Meteoritics & Planetary Science. 2008. Vol. 43 (12). P. 2027-2048. DOI: 10.1111/j.1945-5100.2008. tb00659.x.
9. Марахтанов М. К., Велданов В. А., Духопельников Д. В. [и др.]. Экспериментальное исследование энергетических характеристик высокоскоростного взаимодействия металлического ударника с преградой // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. Вып. 9 (21). DOI: 10.18698/2308-6033-20139-948.
10. Марахтанов М. К., Велданов В. А., Максимов М. А. [и др.]. Некоторые особенности взаимодействия металлического снаряда с металлической преградой // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. 2009. № 1 (59). С. 43-53.
11. Марахтанов М. К., Велданов В. А., Духопельников Д. В. [и др.]. Моделирование механизма разрушения космических аппаратов в результате инерциального взрыва их металлических узлов при столкновении // Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24, № 1. С. 17-25.
12. Киттель Ч. Введение в физику твёрдого тела. Москва: Наука, 1978. 791 с.
13. Пат. 2260779 Российская Федерация, МПК G 01 L 5/14, F 42 B 12/02. Способ получения энергии из металлических материалов / Марахтанов М. К. № 2004114626/02; заявл. 14.05.04; опубл. 20.09.05, Бюл. № 26.
14. Федоров С. В., Федорова Н. А. Влияние импульса реактивной тяги на глубину проникания исследовательского зонда в грунт планеты // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. Вып. 1 (13). DOI: 10.18698/2308-6033-2013-1-571.
15. Глушко В. П. Металл как взрывчатое вещество. Пионеры ракетной техники. Ветчинкин. Глушко. Королев. Тихо-нравов. Избранные труды (1929—1945 гг.). Москва: Наука, 1972. C. 89-110.
16. Сверхпроводимость. URL: https://present5.com/ sverxprovodimost-1-2-3-4-5-eksperimentalnye-fakty/ (дата обращения: 15.01.2021).
17. Электрические свойства материалов при криогенных температурах. URL: https://cyberpedia.su/16xc4b7.html (дата обращения: 15.01.2021).
18. Ляшук А. Н., Завьялов С. А., Лепетаев А. Н. Проектирование высокочастотного автогенератора для ударостойких применений // Динамика систем, механизмов и машин. 2014. № 4. С. 43-46.
19. Велданов В. А., Марков В. А., Пусев В. И. [и др.]. Применение акселерометрии для исследования динамических механических свойств материалов в усложненных условиях проведения измерений // Наука и образование: науч. изд. МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2012. № 8. С. 35-56. Б01: 10.7463/0812.0428828.
АЕУИ Евгений Владимирович, кандидат технических наук, ведущий инженер АО «НПО Лавочкина», г. Химки. SPIN-код: 6060-8056, AuthorID (РИНЦ): 367560 AuthorID (SCOPUS): 57200722184 ПОЛЯКОВ Алексей Александрович, заместитель генерального конструктора АО «НПО Лавочкина», г. Химки.
ЗАЩИРИИСКИй Сергей Александрович, начальник комплекса АО «НПО Лавочкина», г. Химки. СЫСОЕВ Валентин Константинович, доктор технических наук, начальник отдела научно-исследовательских работ и перспективных исследований АО «НПО Лавочкина», г. Химки. SPIN-код: 5673-6495, AuthorID (РИНЦ): 565837
ПИЧХАДЗЕ Константин Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Системный анализ и управление» Московского авиационного института (национальный исследовательский университет), г. Москва. AuthorID (РИНЦ): 499063
ШАЛАИ Виктор Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Нефтегазовое дело, стандартизация и метрология», президент Омского государственного технического университета, г. Омск. SPIN-код: 2322-6820 AuthorID (РИНЦ): 9913 ORCID: 0000-0003-0635-4849
AuthorID (SCOPUS) AuthorID (SCOPUS) AuthorID (SCOPUS)
35792469000 56755298300 57190972363 Яе8еагсЬегГО: Р-8233-2015 Адрес для переписки: stankin1999@mail.ru
Для цитирования
Леун Е. В., Поляков А. А., Защиринский С. А., Сысоев В. К., Пичхадзе К. М., Шалай В. В. Некоторые особенности ударного внедрения пенетраторов в грунт небесных тел // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2021. Т. 5, № 1. С. 71-79. Б01: 10.25206/2588-0373-2021-5-1-71-79
Статья поступила в редакцию 15.02.2021 г. © Е. В. Леун, А. А. Поляков, С. А. Защиринский, В. К. Сысоев, К. М. Пичхадзе, В. В. Шалай
UDC 629.785
DOI: 10.25206/2588-0373-2021-5-1-71-79
SOME FEATURES OF IMPACT PENETRATION OF PENETRATORS INTO THE GROUND OF CELESTIAL BODIES
E. V. Leun1, A. A. Poliakov1, S. A. Zashchirinsky1, V. K. Sysoev1, K. M. Pichkhadze2, V. V. Shalay3
'Lavochkin Association, Russia, Khimki, Moscow region, Leningradskaya St. 24, 141402 2Moscow Aviation Institute (National Research University), Russia, Moscow, Volokolamskoe shosse, 4, 125993 3Omsk State Technical University, Russia, Omsk, Mira Ave., 11, 644050
The article discusses the features of the inertial explosion of metal products and the prevention of its occurrence during its impact introduction of a metal penetrator into the ground of celestial bodies. The possibility of an inertial explosion in metal penetrators is determined when calculating the critical overload of the G that exceeds a certain threshold value for each metal. These values are determined
cr
for a number of alloys and high-purity metals widely used in rocket and space technology for Earth and space temperatures. The features of reducing the critical overload threshold of the Gcr for space conditions at cryogenic temperatures and ways to prevent an inertial explosion are discussed.
Keywords: space research, celestial body, penetrator, impact penetration, high-speed impact, overload, critical velocity, subsurface ground, inertial explosion.
References
1. Skulinova M., Zheng W., Hu Y.-R. [et al.]. Micro-Penetratorfor Canadian Planetary Exploration // World Academy of Science, Engineering and Technology. 2011. Vol. 5. P. 366 — 373. (In Engl.).
2. Gao Y., Ellery A., Jaddou M. [et al.]. A novel penetration system for in situ astrobiological studies // International Journal of Advanced Robotic Systems. 2005. Vol. 2. P. 281-286. (In Engl.).
3. Patent 2626792 Russian Federation, IPC B 64 G 1/00. Sposob dostavki poleznogo gruza v grunt nebesnogo tela, obespecheniya issledovaniy grunta i nebesnogo tela i ustroystvo ego realizatsii (varianty) [Method of payload delivery to celestial body soil, provision for soil and celestial body exploration and device for its implementation (versions) // Shalay V. V., Pichkhadze K. M., Bagrov A. V., Leun E. V. [et al.]. No. 2015154859. (In Russ.).
4. Gowen R. A., Smith A., Fortes A. D. [et al.]. Penetrators for in situ subsurface investigations of Europa // Advances in Space Research. 2010. Vol. 48 (4). P. 725-742. DOI: 10.1016/j. asr.2010.06.026. (In Engl.).
5. Gowen R. A., Smith A., Griffiths A. [et al. ]. Kinetic penetrators for Exploration of solar system bodies // 5th International Planetary Probes Workshop (IPPW-5). Bordeaux, France, 23-29 June 2007. URL: http://www.mrc.uidaho.edu/~atkinson/IPPW5/ Papers/s6_4gowen02.pdf. (accessed: 11.12.2020). (In Engl.).
6. Hopf T., Kumar S., Karl W. J. [et al.]. Shock protection of penetrator-based instrumentation via a sublimation approach // Advances in Space Research. 2010. Vol. 45. P. 460-467. (In Engl.).
7. Collinson G. Planetary penetrators: the vanguard for the future exploration of the solar system // Journal of the British Interplanetary Society. 2008. Vol. 61. P. 198-202. (In Engl.).
8. Cox R., Ong L. C. F., Arakawa M. [et al.]. Impact penetration of Europa's ice crust as a mechanism for formation of chaos terrain // Meteoritics & Planetary Science. 2008. Vol. 43 (12). P. 2027-2048. DOI: 10.1111/j.1945-5100.2008.tb00659.x. (In Engl.).
9. Marakhtanov M. K., Veldanov V. A., Dukhopel'nikov D. V. [et al.]. Eksperimental'noye issledovaniye energeticheskikh kharakteristik vysokoskorostnogo vzaimodeystviya metalliche-skogo udarnika s pregradoy [The experimental research of energy characteristics of high velocity interaction between a metal firing pin and a wall] // Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii. Engineering Journal: Science and Innovation. 2013. Vol. 9 (21). DOI: 10.18698/2308-6033-2013-9-948. (In Russ.).
10. Marakhtanov M. K., Veldanov V. A., Maksimov M. A. [et al.]. Nekotoryye osobennosti vzaimodeystviya metallicheskogo snaryada s metallicheskoy pregradoy [Some features of the interaction of a metal projectile with a metal barrier] // Izvestiya Rossiyskoy akademii raketnykh i artilleriyskikh nauk. Izvestiya Rossiyskoy Akademii Raketnykh i Artilleriyskikh Nauk. 2009. No. 1 (59). P. 43-53. (In Russ.).
11. Marakhtanov M. K., Veldanov V. A., Dukhopel'nikov D. V. [et al.]. Modelirovaniye mekhanizma razrusheniya kosmicheskikh apparatov v rezul'tate inertsial'nogo vzryva ikh metallicheskikh uzlov pri stolknovenii [Modeling a spacecraft fracture mechanism occurring as a result of its metal components inertial explosion at collision] // Vestnik Moskovskogo aviatsionnogo instituta. Aerospace MAI Journal. 2017. Vol. 24, no. 1. P. 17-25. (In Russ.).
12. Kittel' Ch. Vvedeniye v fiziku tverdogo tela [Introduction to Solid State Physics]. Moscow: Nauka Publ., 1978. 791 p. (In Russ.).
13. Patent 2260779 Russian Federation, IPC 7 G 01 L 5/14, F 42 B 12/02. Sposob polucheniya energii iz metallicheskikh materialov [Method for production of energy from metallic materials] / Marakhtanov M. K. No. 2004114626/02. (In Russ.).
14. Fedorov S. V., Fedorova N. A. Vliyaniye impul'sa reaktivnoy tyagi na glubinu pronikaniya issledovatel'skogo zonda v grunt planety [Influence of the jet thrust impulse on depth of the research probe penetration into planet soil] // Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii. Engineering Journal: Science and
Innovation. 2013. Vol. 1 (13). DOI: 10.18698/2308-6033-2013-1-571. (In Russ.).
15. Glushko V. P. Metall kak vzryvchatoye veshchestvo. Pionery raketnoy tekhniki. Vetchinkin. Glushko. Korolev. Tikhonravov. Izbrannyye trudy (1929—1945 gg.) [Metal as an explosive. Pioneers of rocketry. Vetchinkin. Glushko. Korolyov. Tikhonravov. Selected Works (1929-1945)]. Moscow: Nauka Publ., 1972. P. 89-110. (In Russ.).
16. Sverkhprovodimost'. [Superconductivity]. URL: https:// present5.com/sverxprovodimost-1-2-3-4-5-eksperimentalnye-fakty/ (accessed 15.01.2021). (In Russ.).
17. Elektricheskiye svoystva materialov pri kriogennykh temperaturakh [Electrical properties of materials at cryogenic temperatures]. URL: https://cyberpedia.su/16xc4b7.html (accessed 15.01.2021). (In Russ.).
18. Lyashuk A. N., Zavyalov S. A., Lepetaev A. N. Proyektirovaniye vysokochastotnogo avtogeneratora dlya udarostoykikh primeneniy [Design of high frequency oscillator for high shock applications] // Dinamika sistem, mekhanizmov i mashin. Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines. 2014. No. 4. P. 43-46.
19. Veldanov V. A., Markov V. A., Pusev V. I. [et al.]. Primeneniye akselerometrii dlya issledovaniya dinamicheskikh mekhanicheskikh svoystv materialov v uslozhnennykh usloviyakh provedeniyai zmereniy [Application of accelerometry for research of dynamic mechanical properties of materials in complicated environments of measuring] // Nauka i obrazovaniye: nauchnoy eizdaniye MGTU im. N. E. Baumana. Science and Education of Bauman MSTU. 2012. No. 8. P. 35-56. DOI: 10.7463/0812.0428828. (In Russ.).
LEUN Evgeny Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences, Leading Engineer, Lavochkin Association, Khimki.
AuthorID (RSCI): 367560 AuthorID (SCOPUS): 57200722184
POLIAKOV Alexey Alexandrovich, Deputy General Designer, Lavochkin Association, Khimki. ZASHCHIRINSKY Sergey Aleksandrovich, Head of Lavochkin Association Complex, Khimki. SYSOEV Valentin Konstantinovich, Doctor of Technical Sciences, Head of Advanced Research Department, Lavochkin Association, Khimki. PICHKHADZE Konstantin Mikhailovich, Doctor of Technical Sciences, Professor of System Analysis and Management Department, Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow. AuthorID (RSCI): 499063
SHALAY Viktor Vladimirovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Transport, Oil and Gas Storage, Standardization and Certification Department, President of Omsk State Technical University, Omsk. SPIN-code: 2322-6820 AuthorID (RSCI): 9913 ORCID: 0000-0003-0635-4849
AuthorID (SCOPUS) AuthorID (SCOPUS) AuthorID (SCOPUS)
35792469000 56755298300 57190972363 ResearcherlD: P-8233-2015
Address for correspondence: stankin1999@mail.ru For citations
Leun E. V., Polyakov A. A., Zashchirinsky S. A., Sysoev V. K., Pichkhadze K. M., Shalay V. V. Some features of impact penetration of penetrators into the ground of celestial bodies // Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2021. Vol. 5, no. 1. P. 71-79. DOI: 10.25206/25880373-2021-5-1-71-79.
Received February 15, 2021.
© E. V. Leun, A. A. Poliakov, S. A. Zashchirinsky, V. K. Sysoev, K. M. Pichkhadze, V. V. Shalay
i ,
о
IS
I BS Ni
OS о о E н T X >0 z А
, К p о
is E
о
V <"> К
о о
