CC BY
49
МЕХАНИКА ПРОЧНОСТИ, ТЕРМОПРОЧНОСТИ И УДАРА
УДК 620.17
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО УДАРА ПО АЛЮМИНИЕВО-МАГНИЕВОМУ СПЛАВУ
П.С. Гончаров, М.В. Житный, А.М. Денисов, И.С. Прохватова
Показаны результаты экспериментов по высокоскоростному соударению стального ударника с преградой, изготовленной из сплава АМг3 на скоростях в диапазоне 1100...2400м/с, проведенных в Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. Рассмотрены особенности повреждений материала преграды и ударника. Произведено измерение параметров кратеров и остаточной массы ударников после соударения.
Ключевые слова: высокоскоростной удар, экспериментальные исследования, космический мусор, двухступенчатая легкогазовая установка, космический аппарат.
Как показывают проводимые в разных странах исследования, экспериментальное моделирование высокоскоростного воздействия твердых частиц - имитаторов частиц космического мусора на элементы конструкции космических аппаратов (КА) в связи с постоянно растущим количеством частиц космического мусора является актуальным направлением повышения надежности космических аппаратов при функционировании в космическом пространстве. При этом разработка мер по снижению рисков повреждения космических аппаратов в результате столкновения с частицами космического мусора является актуальной научно-практической задачей [1].
Исследования в области высокоскоростного взаимодействия ударников различного вида с преградами [2] показывают, что механика взаимодействия с ростом скорости взаимодействия изменяется вплоть до гидродинамического характера. С учетом этого очевидно, что для разработки адекватных мер, обеспечивающих снижение риска выхода из строя КА в результате столкновения с частицами космического мусора, необходимо проводить экспериментальные исследования в широком диапазоне скоростей взаимодействия.
Результаты использования методики изложенной в [3], показывают, что наиболее вероятными диапазонами относительных скоростей встречи частицы космического мусора и КА являются: 1,5...2,5; 6,5...7,0 и 13,0.. .13,5 км/с. В настоящей работе рассматриваются результаты экспериментов со скоростями ударника, лежащими в первом диапазоне.
Эксперименты выполнены на экспериментальном баллистическом комплексе БС-3, находящемся в Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского [4, 5]. Комплекс позволяет проводить высокоскоростное метание тел диаметром 1.14,3 мм (с массой 0,001.20 гр.) со скоростями до 5000 м/с с возможностью проведения экспериментов в условиях различной степени вакуума.
В качестве ударников, в экспериментах использовался шарообразный ударник диаметром 2 мм, выполненный из стали марки ШХ-15.
В качестве преграды использовалась мишень размерами 197 на 197 мм, толщиной 15 мм, изготовленная из алюминиево-магниевого сплава (магналии) марки АМг3. В соответствии с [2] такую преграду можно отнести к полубесконечным или толстым мишеням. Преграда представляет собой монолитную плиту, выполненную из сплава АМг3. К основным особенностям материала преграды относятся хорошая свариваемость, коррозионная стойкость, возможность длительной работы при температурах до 1000С, достаточно хорошие показатели прочности, твердости на растяжение и предела текучести. Поэтому данный материал широко используется в качестве конструкционного материала в ракетно-космической технике. Плотность материала АМг3 практически равна плотности чистого алюминия и составляет 2660 кг/м2, температура плавления 660 оС.
Эксперименты проводились при следующих условиях: влажность воздуха - 73 %, давление - 763 мм. рт. ст., температура - 21 оС.
В ходе экспериментальных исследованиях моделировался удар на пяти опорных скоростях 1100, 1500, 1700, 1800 и 2350 м/с, на воспроизведение которых настраивался комплекс БС-3. В связи с большими затратами времени на подготовку к проведению эксперимента количество испытаний для каждой опорной скорости было ограничено пятью.
Обработка полученных результатов проводилась на основе распределения Стьюдента. При этом расчет проводился для доверительной вероятности равной 0,95. Результаты обработки данных экспериментов представлены в табл. 1.
Анализ данных табл. 1 показывает, что при достижении скоростей порядка 1800 м/с и более происходит разрушение ударника. Это объясняется с тем, что возникающие и распространяющиеся внутрь ударника от его ненагруженных боковых поверхностей волны разгрузки, пересекаясь вблизи оси ударника, создают зону высоких растягивающих напряжений. Поскольку форма используемого ударника является шаром, то волны разгрузки создают зону высоких растягивающих напряжений в районе центра шара, что, в конечном счете, и приводит к разрушению ударника.
101
Таблица 1
Результаты _обработки данных экспериментов_
№ п/п Скорость ударника, м/с Диаметр кратера, мм Глубина входного отверстия, мм Сквозное пробитие Наличие ударника в преграде
1 1108 ±27 2,11 ± 0,08 7,11 ± 0,06 нет да
2 1521±31 2,13 ± 0,06 7,32 ± 0,13 нет да
3 1704 ± 36 2,31 ± 0,05 8,22 ± 0,17 нет да
4 1811±14 4,11 ± 0,08 9,74 ± 0,23 нет нет
5 2342 ±32 4,62 ± 0,07 11,91 ± 0,31 нет нет
Этот эффект, для заданных условий, начинает проявлять себя на скоростях свыше 1800 м/с. Одновременно с увеличением скорости ударника происходит увеличение глубины внедрения ударника в преграду. Следует отметить, что извлечение оставшихся в преграде ударников невозможно без применения разрушающих методов. Это обстоятельство связано с особенностями механизма сверхглубокого проникновения ударников в преграду, которое характеризуется лишь частичным разрывом межатомных связей и наличием упругой деформации материала преграды. Таким образом, возникает эффект «закусывания» ударника в материале преграды.
На рис. 1 представлен внешний вид повреждений преграды для различных скоростей соударения.
1800 м/с 1500 м/с 1100 м/с
Рис. 1. Вид повреждения преграды для различных скоростей соударения
Анализ рис. 1 позволяет заключить, что с ростом скорости соударения и, следовательно, деформирования материала преграды происходит интенсификация процессов выделения энергии, накопленной в ударнике, и проходящих при взаимодействии ударника с преградой, что визуально подтверждается количеством выдавленного вещества преграды в противоположном вектору скорости ударника направлении и увеличением диаметра входного отверстия.
Для оценивания остаточной массы ударника были проведены замеры массы до и после эксперимента, которые осуществлялись с помощью лабораторных весов ВЛ-224В. Результаты проведенных замеров приведены в табл. 2. При этом можно сделать вывод, что в результате взаимодей-
102
ствия стального ударника и преграды выполненной из АМг3, изменения массы ударника, при условии его неразрушения, не происходит. Отдельные отклонения вызваны погрешностью измерений.
Таблица 2
Результаты замеров массы ударника для различных скоростей
Скорость, м/с Начальная масса, мг Конечная масса, мг
1108 32,5 32,4
1521 32,6 32,5
1704 32,6 32,5
Фотография ударника после извлечения из преграды (скорость взаимодействия 1521 м/с) представлена на рис. 2.
Рис. 2. Фотография ударника, извлеченного из преграды
Таким образом, можно сделать следующие общие выводы. Характер высокоскоростного внедрения ударника в преграду при прочих равных условиях определяется скоростью внедрения. При превышении ударником порогового значения скорости, составляющего 1800 м/с, происходит разрушение ударника, что обусловлено воздействием волн разгрузки, действующих на него в процессе внедрения в преграду. При скоростях от 1100 до 1700 м/с наряду с сохранением в преграде ударника, наблюдается эффект сверхглубокого его проникновения в преграду, что вызвано наличием упругой деформации в материале преграды, составляющей стенки кратера, возникшего от воздействия ударника. При этом возникает эффект «закусывания» ударника в теле преграды.
С учетом вышесказанного можно заключить, что при проникновении ударника, материал которого имеет по сравнению с материалом преграды более высокие показатели твердости и плотности, с ростом скорости возникают кратеры, имеющие туннелеобразный характер. Этот эффект также наблюдается в проведенных экспериментах. Однако при достижении некоторого порогового значения скорости давление, создающееся при соударении, вызывает разрушение ударника. Для данной пары материалов, размеров и формы ударника определенный экспериментально порог, при котором с большой долей вероятности происходит разрушения ударника составляет порядка 1800 м/с.
Проведенные экспериментальные исследования позволили определить основные особенности поведения материалов пары «стальной ударник - алюминиево-магниевый сплав АМг3» при соударении со скоростями
103
в диапазоне 1100.2400 м/с и найти закономерность между скоростью ударника и степенью разрушения ударника и преграды, а также выявить особенности проникновения ударника в преграду. Результаты исследований могут использоваться при обосновании прочностных требований к элементам конструкции космических аппаратов, а также для разработки способов защиты критичных элементов конструкции от воздействия частиц космического мусора.
Список литературы
1. Вениаминов С.С. Космический мусор - угроза человечеству / С.С. Вениаминов. М.: ИКИ РАН, 2010. 207 с.
2. Д. Зукас [и др.]. Динамика удара. М.: Мир. 1985. 295 с.
3. Гончаров П.С. Методика подготовки данных для экспериментальных исследований взаимодействия высокоскоростных частиц с элементами конструкции космического аппарата / П.С. Гончаров, М.В. Житный // Известия Тульского государственного университета, 2017. Вып. 11. Ч. 3. С. 68 -75.
4. Тимофеев Н.М. Экспериментальный баллистический комплекс / П.С. Гончаров, А.М. Денисов, М.М. Светлорусов и др. // Вопросы оборонной техники. Серия 16: Технические средства противодействия терроризму. 2013. № 3 - 4. С. 120 - 122.
5. Мартынов В.В. Конструкция легкогазовой установки с демпфирующими элементами / В.В. Мартынов, М.В. Житный // Известия Тульского государственного университета, 2016. Вып. 12. Ч. 1. С. 124 -131.
Гончаров Павел Сергеевич, канд. техн. наук, начальник отдела, 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,
Денисов Андрей Михайлович, канд. техн. наук, доцент, начальник отдела, vka@,mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, ВКА им. А. Ф. Можайского,
Прохватова Ирина Станиславовна, научный сотрудник, vka@,mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
EXPERIMENTAL MODELLING HIGH-VELOCITY IMPACT WITH AL-MG ALLOY
P.S. Goncharov, M.V. Zhitnyy, A.M. Denisov, I.S. Prohvatova
Experimental result of high-velocity impact steel space debris imitator with AMg3 alloy is shown. Research was conductedfor speed 1,1...2,4 km/s. Imitator and alloy destruction is shown. Impact residual weight measurements were made.
104
Key word: high-speed impacts, space objects, experiment, light-gas installation, space debris.
Goncharov Pavel Sergeevich, candidate of technical science, head of department, 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,
Denisov Andrey Mihailovich, candidate of technical science, docent, head of department, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Prohvatova Irina Stanislavovna, researcher, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
УДК 620.17
ОТСЕКАТЕЛЬ ПОДДОНОВ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО МАЛОРАЗМЕРНОГО УДАРНИКА ДЛЯ ЛЕГКОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ
В.В. Мартынов, Э.Г. Синельников, Н.А. Шуневич, Т.С. Хубларова
Обозначены проблемные вопросы при проведении экспериментов по высокоскоростному метанию подкалиберных ударников с использованием поддонов, оказывающие значительное влияние на качество и надёжность получения информации. Проведён краткий анализ применяемых способов отсечения поддонов от ударников. Предложены перспективный способ и конструкция отсекателя, способствующие решению существующих проблем.
Ключевые слова: эксперимент, поддон, ударник, отсекатель, высокоскоростное метание, легкогазовая установка.
Для исследования взаимодействия высокоскоростных тел с элементами конструкций космических аппаратов, объектов вооружения, военной и специальной техники в Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского широко используется экспериментальный баллистический комплекс БС-3. Основу комплекса составляет двухступенчатая легкогазовая установка (ЛГУ), в комплектации которой содержатся две газовые камеры калибром 23 и 40 мм, а также три ствола калибром 3,8 и 14,3 мм, что позволяет реализовать несколько вариантов компоновки метательного устройства. Подробное описание конструкции, технические характеристики, варианты использования экспериментального баллистического комплекса представлены в работе [1]. Для ещё большего расширения возможностей установки - разгон тел вращения всевозможных диаметров, вплоть до максимального калибра (14,3 мм), а также ударников иной формы - используется способ метания, схожий с выстрелом подкалиберного снаряда
105
