CC BY
9
В данной работе выполнен вывод расчетных формул зависимости угла отклонения приемного преобразователя, выполненного в виде диэлектрической пластины от энергии ЭМИ ИК-диапазона. Проведен эксперимент, в ходе которого получены экспериментальные зависимости угла отклонения ДПП от энергии ЭМИ ИК-диапазона. В целом теоретическая зависимость подтверждается экспериментальной [5,6]. Расхождения вызваны целым рядом условий, связанных как с условиями проведения эксперимента: сопротивлением воздуха, влажностью, так и с параметрами работы технологической установки ГОС-1001, таких как: нестабильность энергии накачки, циклы терморегуляции, юстировка зеркал и потери в трактах передачи энергии. Более стабильно ГОС-1001 работает на высоких энергиях накачки, о чем свидетельствует график на рис. 3. Однако использование теоретических зависимостей (14) и (15) для оценивания углового отклонения ДПП и энергии ЭМИ ИК-диапазона представляется целесообразным.
Список литературы
1. Котюк А.Ф. Измерение энергетических характеристик лазерного излучения / Под редакцией А. Ф. Ко-тюка. М.: Радио и связь, 1981. 288 с.
2. ГОСТ Р 8.736-2011. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения. Дата введения 2011-12-13. М.: Стандартинформ. 2013. 19 с.
3. Касаткина И.Л. Физика: справочник, основные определения, законы, формулы, схемы и графики. Ростов-на-Дону: Феникс, 2018. 319 с.
4. Корсунский М.И. Физика: Оптика, строение атома, атомное ядро. М.: Изд-во «Наука» 1967. 525 с.
5 Хубларова Т.С. Аналитический обзор и перспективы воздействия источников лазерного излучения в России / Т.С. Хубларова, Т.Ю. Девяткина // Актуальные проблемы защиты и безопасности: Труды XXIV Всероссийской научно-технической конференции. СПб., 2021. С. 99-103.
6. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики. Физические основы механики. Молекулярная физика. Колебания и волны. М.: Издаельство ТТЛ,1951. Т. 1. 574 с.
Копейка Александр Леонидович, канд. техн. наук, начальник лаборатории (научно-исследовательской) военного института (научно-исследовательского), vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Кондратьев Владислав Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. ФМожайского,
Апевалов Игорь Владимирович, научный сотрудник, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
STUDY OF THE PONDEMOTOR ACTION OF AN IR ELECTROMAGNETIC PULSE ON A DIELECTRIC PLATE
A.L. Kopeika, I.V. Apevalov, V.S. Kondratiev
The paper presents: a theoretical derivation of the dependence of the deflection angle of the receiving transducer, made in the form of a dielectric plate, on the energy of an electromagnetic pulse in the energy of an electromagnetic pulse in the IR range, mathematical modeling and experimental studies were carried out on the technological installation GOS 1001.
Key words: electromagnetic pulse in the IR range, deflection angle, force impulse, receiving transducer.
Kopeika Alecsandr Leonidovich, candidate of technical science, head of the laboratory, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Apevalov Igor Vladimirovich, research associate, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Kondratiev Vladislav Sergeevich, candidate of technical science, senior researcher, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
УДК 620.17
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-684-685
УТОЧНЕНИЕ БАЛЛИСТИЧЕСКОГО ПРЕДЕЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
М.В.Житный, Э.Г.Синельников
Представлено уточненное на основе результатов численного моделирования баллистическое предельное уравнение, позволяющее определять значение критического диаметра стальной малоразмерной твердой частицы для процесса ударного взаимодействия этой частицы с преградой, выполненной из алюминиево-магниевого сплава АМг6. Приведены результаты расчетов различными методами значения критического диаметра малоразмерной твердой частицы. Показано различие между результатами, полученными с помощью исходного баллистического предельного уравнения и с помощью уточненного.
Ключевые слова: космический мусор, космический аппарат, малоразмерная твердая частица, баллистическое предельное уравнение, численное моделирование, критический диаметр.
Одним из опасных факторов космического пространства, воздействующих на космический аппарат (КА) в течение срока его активного функционирования, является ударное воздействие малоразмерных твердых частиц (МТЧ), представляющих собой малоразмерные метеороиды, а также космический мусор техногенного
684
происхождения. За последние годы существенно увеличилась активность различных государств по выводу КА на околоземные орбиты. Очевидно, что в силу этого факта также увеличилось количество космического мусора, который появляется как в результате выведения КА на орбиту функционирования, так и в процессе его жизненного цикла. Поэтому прогнозирование результатов ударного воздействия МТЧ на элементы КА является актуальной технической задачей.
В настоящее время используются различные способы оценивания результатов ударного воздействия частиц космического мусора на КА, к основным из которых можно отнести следующие:
- натурные испытания;
- численное моделирование;
- анализ повреждений возвращаемых КА;
- использование эмпирических зависимостей.
Наиболее достоверным способом является проведение натурных испытаний. Однако наряду с достоинствами данный способ обладает и рядом существенных особенностей, которые затрудняют его широкое применение. К таким особенностям, в частности, относятся: трудоемкость подготовки и проведения каждого испытания, необходимость наличия специального оборудования, обеспечивающего разгон имитатора МТЧ до скоростей, достигающих значения 10 км/с, наличие комплекса регистрации таких скоростей, необходимость наличия соответствующей квалификации у обслуживающего персонала и др.
Использование численного моделирования для решения задач определения характера повреждения исследуемой поверхности, возникающей в результате ударного воздействия МТЧ, затрудняется необходимостью проведения валидации моделей, положенных в основу используемого программного комплекса. Такая валидация проводится на основе результатов натурных испытаний для конкретных материалов исследуемой пары «элемент КА -МТЧ» и заданных условий. При этом валидация этих моделей для скоростей МТЧ, превышающих 5 км/с является сложной задачей, т.к. достижение таких скоростей в лабораторных условиях является сложной технической задачей, требующей наличия соответствующих ускорителей.
Анализ повреждений возвращаемых КА также не может дать точной информации об условиях и причинах возникновения обнаруженных на поверхности КА повреждений, возникших в результате ударного воздействия МТЧ, т.к. в большинстве случаев не известны ни скорость, ни материал воздействующей МТЧ. Кроме того, получаемая в результате такого анализа статистическая выборка достаточно мала, что затрудняет последующую обработку полученных данных и снижает достоверность получаемых выводов.
Для проведения быстрого оценивания результатов ударного воздействия МТЧ на поверхность элементов КА широко используются эмпирические зависимости. Такие зависимости носят название баллистических предельных уравнений (БПУ). В результате решения такого уравнения определяется значение критического диаметра МТЧ, воздействие которой на исследуемую преграду вызывает такой вид разрушения преграды, который задан используемым критерием повреждения. Таким критерием могут выступать различные виды повреждений, основными из которых являются следующие [1]:
- перфорация преграды;
- образование отверстия (кратера), размер которого превышает заданный;
- глубина проникновения МТЧ в материал преграды, превышает заданную;
- образование кратера, объем которого превышает заданный.
К баллистическим предельным уравнениям предъявляются следующие требования:
- БПУ должно содержать исследуемые физические характеристики, которые оказывают влияние на рассматриваемый процесс ударного взаимодействия;
- диапазон изменения этих физических характеристик в БПУ должен быть достаточно широким.
В настоящее время существует достаточно большое количество баллистических предельных уравнений, позволяющих оценить результаты ударного взаимодействия малоразмерной твердой частицы с преградой. Анализ этих уравнений показывает, что они обладают различной точностью, которая, в том числе, зависит от типа моделируемого материала [1]. Так как в качестве конструкционного материала в ракетно-космической технике часто используются материалы из сплавов алюминия, то в данной работе рассматривается ударное взаимодействие стальной малоразмерной твердой частицы и плоской преграды, выполненной из сплава АМг6.
В качестве баллистического предельного уравнения используется параметрическое уравнение следующего вида [1]:
, (1)
(1Кр
рк , Рст 1ст
к П К рр (V ■ ^ е)
где ^ - значение диаметра малоразмерной твердой частицы, для которого происходит выполнение критериально-кр
го условия, см; рст - плотность материала преграды (стенки), г/см3; 1ст - толщина преграды (стенки), см; рч -плотность материала МТЧ, г/см3; V - скорость МТЧ, км/с; е - угол между вектором скорости частицы и нормалью к поверхности, градус; К п , Е,, к, Р, X - параметры баллистического предельного уравнения для одиночной преграды.
Параметры баллистического предельного уравнения определяют адекватность искомых значений, получаемых в результате расчета. При этом существуют различные наборы значения параметров, полученные разными исследователями. В табл. 1 представлен принятый в работе набор значений параметров, который по данным [1], обеспечивает наилучшую точность получаемых результатов для рассматриваемого случая.
В выражении для вычисления параметра К\ используется значение напряжения текучести материала преграды ст = 275,8МПа.
В качестве «эталонных» данных для сравнения с результатами, полученными при решении баллистического предельного уравнения, используются результаты численного моделирования, полученные с использованием
специального программного обеспечения (СПО) ANSYS. Используемые в ANSYS исходные данные, необходимые для проведения моделирования, были уточнены по результатам натурных экспериментов [2]. Кроме того, была проведена валидация модели, используемой в рамках специального программного обеспечения ANSYS, на основе методического подхода, изложенного в [3].
Таблица 1
Параметры баллистического предельного уравнения__
К П К1 £ к Р X
1 0,608а"0'093 1,059 0,343 0,686 0,976
В качестве исходных данных, используемых при решении задачи оценивания ударного взаимодействия МТЧ и преграды использовались следующие исходные данные:
- материал МТЧ: сталь;
- материал преграды: алюминиево-магниевый сплав АМг6;
- диапазон диаметров МТЧ: от 1 до 6 мм;
- толщина преграды: 3 мм;
- диапазон скоростей МТЧ: от 280 до 1740 м/с;
- преграда одиночная.
В табл. 2 представлены результаты расчетов, полученные в ходе численного моделирования в специальном программном обеспечении ANSYS и в результате решения БПУ (1).
Зависимость изменения значения критического диаметра МТЧ в зависимости от скорости МТЧ по данным табл. 2 показана на рис. 1.
Таблица 2
Результаты расчетов критического диаметра МТЧ, полученные различными способами_
Скорость МТЧ, м/с акр ,мм (Л№У8) акр ,мм (БПУ) Абсолютная разность, %
280 6,00 9,81 63,5
300 5,00 9,19 83,8
380 4,00 7,39 84,8
480 3,00 5,96 98,7
780 2,00 3,81 90,5
1380 1,20 2,25 87,5
1740 1,00 1,82 82,0
--- -АМЗУЭ
- -баллистическое предельное уравнение
Рис. 1. Значения критического диаметра МТЧ, определенные различными способами
Анализ данных, представленных в табл. 2 и на рис. 1 позволяет сделать заключение, что значения критического диаметра для различных скоростей МТЧ, полученные в результате расчета с использованием приведенного выше баллистического предельного уравнения имеют значительные отклонения от «эталонных», полученных в результате моделирования в СПО ANSYS на основе валидированной модели. Так, например, максимальное отклонение значения критического диаметра МТЧ составляет 98,7% и наблюдается в окрестности опорной точки, характеризуемой значением скорости МТЧ, равной 480 м/с. А минимальное - 63,% фиксируется в опорной точке, характеризуемой значением скорости МТЧ, равной 280 м/с. Исходя из этого, можно сделать вывод, что применение баллистического предельного уравнения (1) для определения значения критического диаметра стальной МТЧ при взаимодействии с преградой, выполненной из АМг6, нецелесообразно.
Вместе с тем, анализ рис. 1 и данных табл. 2 позволяет заключить, что существует возможность увеличения точности БПУ (1), за счет введения в него дополнительного коэффициента. С учетом того, что характер изменения зависимостей критического диаметра МТЧ, определенных различными способами (рис. 2), имеет очевидное подобие, то уточненное баллистическое предельное уравнение может быть представлено в следующем виде:
(!Кр
к , Рст 1ст
к П к1 Рч (2 к • ^ е) 686
В табл. 3 представлены результаты расчетов, полученные в ходе численного моделирования в СПО ANSYS и в результате решения уточненного БПУ.
Таблица 3
Результаты расчетов критического диаметра МТЧ, полученные численным моделированием __и решением уточненного БПУ__
Скорость МТЧ, м/с dКр, мм dкр, мм Абсолютная
(ANSYS) (БПУ) разность, %
280 6,00 5,16 14,0
300 5,00 4,86 2,8
380 4,00 3,91 2,3
480 3,00 3,14 4,7
780 2,00 2,01 0,5
1380 1,20 1,18 1,7
1740 1,00 0,96 4,0
На рис. 3 показаны зависимости изменения значения критического диаметра МТЧ от скорости МТЧ, полученные численным моделированием и решением как исходного (1), так и уточненного БПУ (2).
--- -ANSYS
- - баллистическое предельное уравнение
- - уточненное баяиистическос првдетьное уравнение
Рис. 3. Зависимости изменения значения критического диаметра МТЧ от скорости МТЧ
Как показывают данные табл. 3 введение в уравнение (1) поправочного коэффициента позволяет обеспечить максимальное отклонение рассчитанного значения критического диаметра МТЧ при использовании уточненного баллистического предельного уравнения (2) на рассматриваемом диапазоне скоростей МТЧ не более 14%. Минимальное отклонение при этом составляет 0,5%.
Таким образом, анализ данных табл. 3 и рис. 2 позволяет сделать заключение, что уточненное баллистическое уравнение (2) обеспечивает более точное определение значения критического диаметра МТЧ для рассматриваемого диапазона скоростей при рассмотрении процесса ударного воздействия стальной МТЧ на преграду, выполненную из алюминиево-магниевого сплава АМг6. С учетом э того данное БПУ может быть использовано для ускорения процесса оценивания результатов ударного воздействия МТЧ на элементы конструкции космического аппарата, выполненные из сплава АМг6 или аналогичных алюминиево-магниевых сплавов.
Список литературы
1. Миронов В.В. Баллистические предельные уравнения для оптимизации системы защиты космических аппаратов от микрометеороидов и космического мусора / В.В.Миронов, М.А.Толкач // Космическая техника и технологии, №°3(14).2016. С.26 - 42.
2. Житный М.В. Уточнение параметров модели разрушения сплава АМг6 при высокоскоростном ударе / М.В.Житный, Э.Г.Синельников, И.В.Апевалов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2021. Вып. 10. С. 556 - 561.
3. Житный М.В. Методический подход к валидации компьютерной модели высокоскоростного удара малоразмерной твердой частицы / М.В.Житный, А.М.Денисов // Труды XXV Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности». СПб.: НПО «Специальных материалов», 2022. С. 78 - 83.
Житный Михаил Владимирович, канд.техн.наук, доцент, старший научный сотрудник, vka@mil.ru. Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. ФМожайского,
Синельников Эдуард Геннадьевич, старший научный сотрудник, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
REFINEMENT OF THE BALLISTIC LIMIT EQUATION BASED ON THE RESULTS OF NUMERICAL SIMULATION
M.V. Zhitnyy, E.G. Sinelnikov 687
A ballistic limiting equation refined on the basis of the results of numerical simulation is presented, which makes it possible to determine the value of the critical diameter of a steel small-sized solid particle for the process of impact interaction of this particle with a barrier made of aluminum-magnesium alloy AMg6. The results of calculations by various methods of the value of the critical diameter of a small-sized solid particle are presented. The difference between the results obtained with the original ballistic limit equation and with the updated one is shown.
Key words: space debris, spacecraft, small solid particle, ballistic limit equation, numerical simulation, critical
diameter.
Zhitnyy Mikhail Vladimirovich, candidate of technical science, docent, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Sinelnikov Eduard Gennadievich, senior researcher, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
УДК 621.396.24::550.388.2
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-688-689
КОНТРОЛЬ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ КОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИОСВЯЗИ
К.А. Лобанов, А.Н. Подковырин
Статья посвящена вопросу диагностирования состояния ионосферы с целью создания условий, благоприятных для осуществления коротковолновой радиосвязи. Новизна работы определяется повышением результативности контроля геофизических условий осуществления коротковолновой радиосвязи методом на основе глобальных навигационных спутниковых систем и справочных моделей ионосферы и полного электронного содержания плазмосферы по сравнению с ранее известными методами.
Ключевые слова: ионосфера, диагностирование, радиосвязь, контроль геофизических условий, концентрация электронов, полное электронное содержание.
Введение. Анализ условий применения таких радиотехнических систем, как коротковолновые (КВ) приё-мо-передающие системы, глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС), радиолокационные системы [1], показывает, что состояние ионосферы существенно влияет на функционирование данных систем.
С середины 50-х годов прошлого века в нашей стране и за рубежом проводятся экспериментальные исследования по изучению нелинейных явлений, возникающих в ионосферной плазме при облучении ее мощными радиоволнами КВ радиодиапазона. За счет изменения электронной концентрации в слоях ионосферы становится возможной энергетически более выгодная радиосвязь на более высоких частотах.
Таким образом, выбор методологии контроля геофизических условий осуществления КВ радиосвязи является важной научной задачей.
Цель и задачи исследования. Среди методов геофизического обеспечения функционирования систем КВ радиосвязи наибольшими оперативностью, глобальностью, пространственно-временным разрешением и наименьшей стоимостью обладают радиофизические методы на основе обработки сигналов ГНСС, таких как ГЛОНАССЛЖ?.
Целью данной работы является оценивание результативности применения метода диагностирования состояния ионосферы на основе ГНСС и справочных моделей ионосферы и полного электронного содержания (ПЭС) плазмосферы для задачи контроля геофизических условий осуществления КВ радиосвязи.
Для достижения цели работы необходимо решить ряд частных задач:
- определить методику оценивания геофизических условий, благоприятных для осуществления КВ радиосвязи;
- определить радиофизический метод диагностирования состояния ионосферы на основе ГНСС и справочных моделей ионосферы;
- оценить результативность выбранного метода для задачи контроля геофизических условий осуществления КВ радиосвязи.
Методика оценивания геофизических условий, благоприятных для осуществления КВ радиосвязи.
Радиоволна КВ диапазона волн от передатчика, расположенного на поверхности Земли, распространяется вверх до слоя ионосферы, критическая частота которого несколько больше частоты радиоволны, отражается от него, и далее распространяется к приемнику, расположенному, к примеру, также на поверхности Земли [2].
Методика оценивания геофизических условий, благоприятных для осуществления КВ радиосвязи, включает:
а) изучение геофизической обстановки в районе осуществления радиосвязи. Так как для осуществления КВ радиосвязи требуется выполнить траекторные расчеты распространения радиоволны, для этого необходимо знание вертикального профиля концентрации электронов, полученного либо экспериментально, либо из математической модели ионосферы, уточненной по какому-либо измеренному параметру среды, например, полному электронному содержанию, полученному, например, с помощью обработки данных измерений ГНСС. К примеру, геомагнитная обстановка - спокойная (планетарный индекс ^ = 2). Индекс солнечной активности (поток радиоизлучения на длине волны 10,7 см ^10,7)) равен 150;
б) определение состава исходных данных на выполнение операции. Под исходными данными понимается состав исходной как геофизической (ионосферной), так и радиотехнической (навигационной) информации. Состав информации: вертикальные профили концентрации электронов до и после проведения экспериментальных исследований (представлены на рисунке), а также данные навигационных полей ГНСС ГЛОНАСС и (или) GPS;
688
