CC BY
30
Larin Andrey Victorovich, department head, kbkedr@,tula. net, Russia, Tula, JSC «KBP named after Academician A.Shipunov»,
Ivutin Alexey Nikolaevich, candidate of technical sciences, head of department, alexey. ivutin@,gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,
Novikov Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, thesis-tsu@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pestin Maxim Sergeevich, student, maxime1996rus@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 620.17
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ВЫСОКОСКОРОСТНОГО УДАРА ПО РАЗНЕСЕННОЙ
ЭКРАННОЙ ЗАЩИТЕ
Э.Г. Синельников, М.В. Житный, П.С. Гончаров, Н.М. Тимофеев
Показаны результаты экспериментальных исследований по воздействию высокоскоростного алюминиевого ударника на специальную экранную защиту космического аппарата, выполненную по типу разнесенной преграды. Рассмотрены особенности повреждений защиты и входящих в нее компонентов. Проведено исследование двух вариантов построения защиты.
Ключевые слова: высокоскоростной удар, экспериментальные исследования, космический мусор, двухступенчатая газовая установка, космический аппарат.
Активное освоение околоземного космического пространства привело к резкому увеличению количества искусственных объектов, находящихся на околоземных орбитах. Эти объекты представляют собой как крупные фрагменты космических аппаратов (КА), ракет-носителей, так и малоразмерные твердые частицы, образующиеся в результате разрушения КА. Ударное воздействие таких высокоскоростных объектов на элементы КА с большой вероятностью приводит к повреждению космического аппарата. Так, например, результатом удара 2-мм высокоскоростной стальной сферы в оболочку КА является сквозная пробоина с выходным диаметром порядка 6 мм. Особо следует отметить то обстоятельство, что кроме крупных объектов, также большую опасность представляют и малоразмерные твердые частицы (МТЧ), обладающие большой относительной скоростью, в случае их воздействия на слабозащищенные критичные элементы конструкции КА, такие, как гермооболочки, емкости под давлением, системы терморегулирования, внешние трубопроводы и магистрали электропитания, топливные баки. Повреждение таких элементов КА, в конечном счете, приводит к отказам как в функционировании важных систем КА, так и КА в целом. В связи с этим особую актуальность приобретает задача обеспечения защиты уязвимых элементов конструкции КА от ударного воздействия частиц космического мусора (КМ), представляющего собой МТЧ.
144
В настоящее время существуют различные способы решения этой задачи, к основным из них принято относить [1]:
- уклонение от столкновения посредством временного или постоянного изменения орбитальных характеристик КА;
- взаимное экранирование элементов КА, в том числе посредством изменения ориентации;
- использование специальных стойких к эрозии покрытий;
- применение специальной экранной защиты для КА в целом или тех его критичных элементов, столкновение частиц с которыми может привести к потере или существенному снижению работоспособности КА.
В данной статье рассматривается вопрос исследования одного из возможных видов конструкции специальной экранной защиты КА - разнесенной защиты. Применение такой защиты обусловлено необходимостью снижения суммарного веса защитной конструкции при одновременном выполнении требований к степени защиты КА от МТЧ.
Данный вид защиты представляет собой наборную конструкцию, состоящую из материалов с различными характеристиками, предназначенных для выполнения определенных защитных функций в составе данной конструкции. Очевидно, что математическое моделирование поведения конструкций такого рода в условиях высокоскоростного ударного воздействия является сложной задачей, связанной с особенностями поведения исследуемых материалов, входящих в данную конструкцию. Поэтому для исследований защитных свойств разнесенной защиты, выполненной из различных материалов, в условиях высокоскоростного ударного воздействия МТЧ на имитаторы обшивки КА в Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского был использован метод экспериментального моделирования.
Относительные возможные скорости встречи частиц КМ (МТЧ) и КА лежат в широком диапазоне скоростей, достигающих 15 км/с [1]. Вместе с тем, распределение скоростей частиц по этому диапазону не является равномерным. Расчеты, проведенные с использованием методики [2], позволяют выделить ряд поддиапазонов относительных скоростей, при которых встреча КА с МТЧ наиболее вероятна. Один из таких поддиапазонов находится в пределах от 2 до 5 км/с. Для исследования защитных свойств разнесенной защиты в указанном поддиапазоне относительных скоростей встречи в рамках настоящего исследования использовался баллистический стенд БС-3. Основой стенда является двухступенчатый легкогазовый ускоритель, позволяющий обеспечивать скорость имитатора МТЧ (ударника) до 5 км/с путем изменения массы основного заряда или давления предварительной накачки гелия в камере сжатия второй ступени [3]. В ходе эксперимента скорость ударника определялась методом рам-мишенной блокировки с использованием измерительного комплекса УНИПРО, входящего в реестр средств измерения, на основе применения аттестованной методики определения скорости сквозного пробития мишенной обстановки [4].
В качестве имитаторов МТЧ использовались шарообразные ударники диаметром от 3,6 до 8,5 мм, изготовленные из алюминия. Выбор алюминия в качестве материала ударника обусловлен тем, что большое количество малоразмерных частиц космического мусора представляет собой фрагменты, образующиеся в результате столкновения более крупных фрагментов отработавших КА, выполненных из сплавов на основе алюминия.
Разгон ударника осуществлялся с использованием ведущего устройства специальной конструкции, выполненного из полиэтилена высокого давления, обеспечивающего сохранение целостности ударника в условиях больших перегрузок, возникающих при его ускорении.
Конструкция испытываемой разнесенной защиты представляет собой два наборных пакета, скомпонованных из различных материалов, разнесенных между собой на определенное расстояние, а также находящихся на удалении от имитатора обшивки. Первый пакет представляет собой комбинацию сплошного экрана, выполненного из сплава АМг6 толщиной 1 мм или метеоритной защиты (МТЗ), и специальной стальной сетки. Второй пакет защиты включает многослойную базальтовую ткань, тяжелую метеоритную защиту, несколько слоев технической ткани типа «Кевлар». В качестве имитатора обшивки КА выступала пластина из сплава АМг6 толщиной 1,5 мм.
Упрощенная схема компоновки разнесенной защиты показана на рисунке.
Упрощенная схема компоновки разнесенной защиты (вариант №1): 1 - первичный защитный экран (АМг6); 2 - стальная сетка; 3 - многослойная базальтовая ткань; 4 - метеоритная защита; 5 - многослойная техническая ткать (типа «Кевлар»); 6 - имитатор обшивки КА (АМг6)
Варианты исследуемых компоновок разнесенной защиты приведены в табл. 1.
Таблица 1
Варианты компоновок разнесенной защиты _
Вариант защиты Состав защиты Разнесение Удельная масса
1 1. Экран, АМг6, 1 мм 2. Сетка 1х0,32, сталь 3. Базальтовая ткань (7 слоев) 4. Метеоритная защита (МТЗ) (легкая) 5. Техническая ткань (10 слоев) 6. Имитатор обшивки АМг6, 1,5 мм = 20 мм; 82 = 60 мм 10,83 кг/м3
2 1. Сетка 1х0,32, сталь 2. Метеоритная защита (МТЗ) (легкая) 3. Базальтовая ткань тяжелая (8 слоев) 4. Базальтовая ткань легкая (2 слоя) 5. Метеоритная защита (МТЗ) (легкая) 6. Техническая ткань (10 слоев) 7. Имитатор обшивки АМг6, 1,5 мм = 20 мм; 82 = 60 мм 10,57 кг/м3
Основные результаты проведенных испытаний различный вариантов разнесенной защиты КА приведены в табл. 2 и 3.
Таблица 2
Результаты испытаний разнесенной защиты КА (вариант 1)
№ Диаметр Скорость Энергия Пробитие имитатора обшивки
п/п ударника, мм ударника, м/с ударника, кг-м/с
1 4,7 1830 245 нет
2 4,7 2060 311 нет
3 4,7 2800 575 нет
4 5,0 2630 611 нет
5 5,0 3100 849 нет
6 5,0 3150 876 нет
7 6,0 3300 1663 нет
8 6,3 1950 672 нет
9 6,3 2670 1260 нет
10 6,3 3000 1590 нет
11 6,3 3320 1948 нет
12 7,2 2800 2068 да
13 7,2 3440 3122 да
Эксперименты проводились при следующих условиях: влажность 70 %, температура 15 °С, остаточное давление в вакуумируемой баллистической трассе стенда БС-3 10 мм.рт.ст.
Визуальный осмотр повреждений компонентов разнесенной защиты, полученных в результате высокоскоростного соударения с имитатором КМ, позволяет сделать вывод о том, что для диапазона скоростей от 1,8 до 3,5 км/с и имитаторов диаметром от 3,6 до 8,5 мм характер повреждения компонентов идентичен. При соударении с первичным защитным экраном, выполненным из АМг6, плавления ударника не наблюдалось. Разрушение
147
ударника происходило без фазовых превращений за счет фрагментации, вызванной развитием пластической деформации, перенапряжения материала ударника и вследствие поглощения большого количества энергии удара. Кроме того, при одной и той же скорости ударника с увеличением его диаметра отношения диаметра сквозного отверстия в первичном защитном экране к диаметру ударника снижается. При увеличении скорости ударников одинакового диаметра большей скорости соответствует больший диаметр сквозного отверстия. Анализ данных табл. 2 показывает, что во всех экспериментах с применением первичного защитного экрана из АМг6 экран был пробит. Однако его применение позволяет увеличить значение предельной скорости сквозного пробития имитатора обшивки КА [4]. Так в большинстве экспериментов, в которых испытывался вариант защиты без применения данного экрана (табл. 3), зафиксировано пробитие имитатора обшивки КА, а в случае применения экрана пробитие отмечено только в незначительном количестве экспериментов, в которых достигнуто критическое значение энергии ударника. При этом для пробития имитатора обшивки в случае отсутствия первичного экрана требуется значительно меньшая энергия ударника. Таким образом, можно сделать вывод о том, что первичный защитный экран выполняет задачу механического разрушения (дробления) ударника на более мелкие фрагменты. В случае больших диаметров ударника (табл. 2, эксперименты №12, 13), когда не происходит разрушения ударника при взаимодействии с первичным экраном для данных условий эксперимента, остаточной энергии ударника достаточно для пробития имитатора обшивки КА.
Таблица 3
Результаты испытаний разнесенной защиты КА (вариант 2)
№ Диаметр Скорость Энергия Пробитие
п/п ударника, мм ударника, м/с ударника, кг-м/с имитатора обшивки
1 3,6 2500 206 нет
2 4,7 2360 408 нет
3 4,7 2400 723 да
4 6,0 2750 1155 да
5 6,3 2500 1104 да
6 6,3 2680 1270 да
7 7,2 2600 1784 да
8 7,2 2760 2010 да
9 8,0 2700 2640 да
10 8,5 2790 3380 да
Анализ результатов экспериментов показывает, что при использовании в составе разнесенной защиты металлических сеток характер их разрушения идентичен. Вместе с тем, можно сделать заключение, что наиболее полное использование прочностных свойств сетки достигается в том случае, когда у нее есть возможность некоторого перемещения относительно первоначального положения в направлении вектора скорости удар-
ника. При этом в ходе воздействия ударника на сетку происходит снижение скорости ударника или формирующегося осколочного поля за счет расхода его энергии на ее удлинение и разрушение. Кроме того, ряд экспериментов, проведенных не в рамках основного исследования, показал, что расположения сетки непосредственно за многослойными специальными ткаными материалами позволяет увеличить их стойкость к осколочному полю, возникающему при разрушении первичного защитного экрана, за счет эффекта «армирования».
В результате экспериментального моделирования высокоскоростного удара по разнесенной защите косвенно удалось подтвердить тезис о нецелесообразности применения специальных защит от ударного воздействия частиц КМ размером более 10 мм в силу их малой эффективности. Так, например, данные табл. 2 показывают, что все ударники диаметром более 7 мм независимо от их скорости и вида компоновки разнесенной защиты привели к разрушению имитатора обшивки КА. Поэтому для защиты от воздействия МТЧ с размерами 10 мм и более необходимо использовать другие методы защиты и предотвращения столкновения.
Таким образом, по результатам проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие общие выводы. Одним из важных компонентов разнесенной защиты, который снижает вероятность повреждения защищаемых элементов, является первичный экран, выполненный в виде сплошного экрана. Использование второго пакета защиты позволяет снизить вероятность повреждения защищаемых элементов от осколочного поля, возникающего при пробитии первичного экрана. Применение защитных стальных сеток в составе второго пакета защиты позволяет уменьшить воздействие фрагментов осколочного поля, возникающего в результате разрушения первичного экрана, на защищаемые элементы за счет эффекта «армирования» многослойных базальтовых тканей. Исследование защитных свойств вариантов конструкции защиты с использованием первичного защитного экрана и варианта без него показывает, что при примерно равной удельной массе этих конструкций более эффективна конструкция с использованием первичного защитного экрана.
Результаты исследований могут использоваться при обосновании конструкции и выбора компонентов, входящих в разнесенную защиту, а также для разработки способов защиты критичных элементов КА с применением защиты данного вида.
Список литературы
1. ОСТ 134-1031-2003. Изделия космической техники. Общие требования по защите космических средств от механического воздействия частиц естественного и техногенного происхождения. М.: Российское авиационно-космическое агентство, 2003. 12 с.
2. Методика подготовки данных для экспериментальных исследований взаимодействия высокоскоростных частиц с элементами конструкции космического аппарата / П.С. Гончаров, М.В. Житный, В.В. Мартынов, Т.С. Хубларова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 11. Ч. 3. С. 68 - 75.
3. Экспериментальный баллистический комплекс / Н.М. Тимофеев [и др.] // Вопросы оборонной техники. Сер. 16. Технические средства противодействия терроризму. 2013. № 3 - 4. С. 120 - 122.
4. Методика определения скорости сквозного пробития мишенной обстановки / П.С. Гончаров [и др.]. СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2016. 34 с.
Синельников Эдуард Геннадьевич, старший научный сотрудник, vka@mil.rH, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Житный Михаил Владимирович, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник, vka@mil.rH, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского,
Гончаров Павел Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, начальник отдела, vka@mil.rH, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского,
Тимофеев Николай Михайлович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
RESULT OF EXPRIMENTAL MODELLING HIGH-VELOCITY IMPACT
WITH STUFFED WHIPPLE
E.G. Sinelnikov, M.V. Zhitnyy, P.S. Goncharov, N.M. Timofeev
Result of experimental modelling high-velocity impact space debris AL imitator with stuffed whipple is shown. Research was conducted for imitator velocity 1,8...3,5 km/s. Some features of stuffed whipple damages are shown.
Key words: high-velocity impact, space debris, light-gas installation, experimental modelling, spacecraft.
Sinelnikov Eduard Gennadievich, senior researcher, vka a mil. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Zhitnyy Mihail Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Goncharov Pavel Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, head of department, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Timofeev Nikolai Mihailovich, candidate of technical sciences, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
