Варианты конструктивных решений ЭкоКосмоДома Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

5РАСЕ\Л№Г

Варианты

конструктивных решений ЭкоКосмоДома

Юницкий А.Э.

Беларусь, г. Минск, доктор философии транспорта,

ООО «Астроинженерные технологии» и ЗАО «Струнные технологии»

Жарый С.А.

Беларусь, г. Минск, конструкторское бюро

управления проектных работ ЗАО «Струнные технологии»

294

УДК 004.942

99

С того момента, когда человек задумался о возможности жизни в космосе, было предложено много концепций станций с имитацией земных условий. Для реализации проекта «ЭкоКосмоДом» проведены расчёты двух разных конструкций и выбран наиболее предпочтительный вариант с точки зрения надёжности, безопасности и оптимизации использованного пространства. Кроме того, проверена устойчивость оболочки станции к попаданию высокоскоростных объектов.

Ключевые слова:

внутреннее давление воздуха, оболочка тора, оболочка цилиндра, ЭкоКосмоДом (ЭКД), конструкция ЭкоКосмоДома.

Введение

При осуществлении любой деятельности в неподходящих для пребывания людей условиях (глубины океанов, космическое пространство, поверхности других планет) необходимо обеспечить укрытие, гарантирующее человеку безопасность и возможность комфортно жить и работать. Защитная оболочка создаётся в зависимости от особенностей внешней агрессивной среды.

За пределами нашей планеты подобными индикаторами являются космические излучения, непригодная для дыхания атмосфера, невесомость, а также объекты, которые движутся с очень большой относительной скоростью. Неконтролируемая деятельность человечества привела также к тому, что сегодня на орбите Земли находится огромное количество космического мусора: остатки разрушенных спутников, части оболочек ракет, инструменты и др. Следовательно, оболочка ЭкоКосмоДома (ЭКД) [1] должна противостоять всем перечисленным угрозам, представляющим серьёзную опасность для будущих космических поселенцев. Именно с данной позиции авторы настоящей статьи рассматривали технические параметры оболочки ЭКД.

Обзор ранее предложенных концепций

Во всех существующих концепциях космических станций, предназначенных для проживания большого количества людей, предполагается обязательное создание искусственной гравитации. Величина 0,9-1g принятая для комфортного существования человека, в основном и диктует форму таких сооружений.

Стэнфордский тор был предложен НАСА летом 1975 г. студентами одноимённого университета с целью осмыслить проект будущих космических колоний. Конструкция выполнена в виде тора диаметром около 1,8 км и малым диаметром 130 м [2].

Сфера Бернала - тип орбитальной станции и космического поселения. Данная пространственная среда, разработанная в 1929 г. Дж. Берналом, предназначена для постоянного проживания людей. Оригинальный проект представлял собой сферу диаметром около 10 миль (16 км), наполненную воздухом и способную вместить 20 000-30 000 человек [3].

Цилиндр О'Нилла (также известен как объект «Остров III») -космическая станция типа космического поселения, предложенная физиком Дж. О'Ниллом в его книге «Высокий рубеж: человеческие колонии в космосе» [4]. Композиция строения -два цилиндра диаметром 8 км и длиной 32 км, расположенные на одной оси.

В настоящей работе авторы проводят сравнение двух вариантов конструкции - тора и цилиндра, так как они

схожи между собой по принципу работы и организации внутреннего пространства.

На околоземной орбите для защиты спутников от удара некрупных объектов применяют щит Уиппла (Whipple shield) [5, 6]. На рисунке 1 показано, что объект при столкновении с первым слоем щита разрушается. Оставшиеся осколки рассеиваются и не способны пробить основную оболочку. В качестве первого слоя можно применить стальную сетку, которая также будет действовать как клетка Фарадея [7] и защищать объект от электромагнитного излучения.

О *

Буфер до задней стенки

] [

Облако осколков

Отдельный откол

Рисунок 1 - Принцип работы щита Уиппла

Описание методики

Первоочередная задача - проверить работоспособность станции ЭКД в околоземном пространстве. Принимаются во внимание параметры сооружения: внешняя обшивка выполнена из тонкостенной оболочки и плодородного слоя толщиной 10 м; в созданном слое будут находиться инженерные и другие системы.

Рассмотрим основные факторы, которые стоит учитывать при разработке подобных объектов.

При проектировании описанных ранее концепций -Стэнфордского тора и цилиндра О'Нилла - станции планировались автономными. Согласно современным подходам следует предусматривать возможность соединения данных сооружений с другими структурами на орбите, такими как космическое индустриальное ожерелье «Орбита» (КИО «Орбита») [1], что накладывает на конструкцию некоторые ограничения. Ось вращения оболочки должна быть всегда параллельна оси вращения орбиты. Выполнение указанного требования позволит минимизировать нагрузку на КИО «Орбита» от эффекта прецессии (поворот оси перпендикулярно приложенной силе).

Особое внимание необходимо обращать на выбор материалов для постройки станции. Очень важна цена доставки и монтажа конструкции. Для удешевления постройки стоит руководствоваться соотношением прочности материала к его весу. Так, углепластик имеет показатель 0,53-1,125 МПахм3/кг. Для сравнения: у высокопрочной стали этот параметр составляет 0,18 МПахм3/кг, у титановых сплавов - 0,23 МПахм3/кг. В целях упрощения расчётной схемы и дальнейшего анализа результатов авторами выбрана высокопрочная сталь.

При транспортировке элементы оболочки должны занимать минимальный объём. Например, основную форму ЭКД можно создать плёнкой наименьшей толщины и внутренним давлением, которое эта плёнка в состоянии выдержать. Поверх полученного основания следует наносить любое многослойное покрытие.

Для изучения характера поведения материалов в конструкции ЭКД (в форме тора и форме сферы) приняты две расчётные схемы.

Расчётная схема тора представляет собой оболочку радиусом по оси вращения 500 м и диаметром фигуры вращения 50 м. В качестве геометрии рассмотрена 1/4 всей модели (рисунок 2). На краях среза задана симметрия, что позволяет сократить количество конечных элементов расчётной модели.

j

Рисунок 2 - Расчётная модель тора

Расчётная схема цилиндра - это оболочка, разделённая на две части (цилиндрическую и сферическую). Диаметр обеих частей - 500 м. В качестве геометрии принята 1/2 всей модели (рисунок 3). На краях среза задана симметрия.

Нагрузкой выступает вес самой оболочки, слой земли толщиной 10 м и плотностью 1,2 т/м3, а также давление 101 кПа заполняющего станцию газа.

Рисунок 3 - Расчётная модель цилиндра

При выполнении расчётов применялся изотропный материал - высокопрочная сталь с пределом текучести 1400 МПа. Для того чтобы не допустить разрушения оболочки от случайных повреждений, задано максимальное напряжение 470 МПа.

Расчёт состоит из двух этапов. На первом шаге задаётся внутреннее давление распределённой нагрузкой 101 кПа по всей внутренней поверхности оболочки. На втором - создаётся искусственная гравитация в 0,7$ за счёт вращения вокруг центральной оси. Скорости вращения для тора и цилиндра отличаются, потому что конструкции имеют разный диаметр вследствие неодинаковых конфигураций их оболочек.

Дополнительно проведена проверка на сопротивление оболочки (состоит из металлической обшивки и слоя грунта в 10 м) ударам круглых высокоскоростных объектов (выполнены из стали плотностью 7850 кг/м3, диаметром 200 мм и 400 мм), которые движутся со скоростью 10 км/с и 20 км/с соответственно. С целью упрощения расчёта для анализа взят фрагмент оболочки размерами 10 х 10 м (рисунок 4).

Рисунок 4 - Расчётная модель оболочки при ударе высокоскоростного объекта

Результаты анализа Оболочка тора

В процессе моделирования принято: толщина стальной оболочки тора составляет 6,4 мм. Такой величины вполне достаточно, чтобы выдержать внутреннее давление в 1 атм. Максимальное напряжение по Мизесу в стенках оболочки при приложении внутреннего давления (первый этап) не превысило 350 МПа (рисунок 5).

1350,25 )]..

Рисунок 5 - Первый этап. Напряжения в торе

На втором этапе создана искусственная гравитация вращением со скоростью 0,11 рад/с, что соответствует 0,7д. Грунт расположен только по внешней части тора и удерживается на месте центробежной силой. Максимальное напряжение по Мизесу в стенках оболочки в данном случае достигло 3600 МПа (рисунок 6). Причиной тому стало возникновение изгибающих моментов, что уже не соответствует безмоментной теории работы оболочки [8].

Для того чтобы конструкция воспринимала изгибающий момент, а также для устранения таких больших напряжений, в оболочке необходимо увеличить изгибную жёсткость.

Оболочка цилиндра со сферическими торцами

Первый расчёт конструкции произведён с одинаковой толщиной стенок у цилиндрической и сферической частей оболочки. На втором этапе создана искусственная гравитация вращением со скоростью 0,16 рад/с, что соответствует 0,7д. Толщина оболочки в 88 мм подобрана с учётом напряжений по Мизесу - не больше 470 МПа при задании внутреннего давления (рисунок 7) и искусственной гравитации (рисунок 8). В результате в месте соединения цилиндра и сферической части образуется разница деформаций («ступенька»), которая составляет 50 мм (рисунок 9).

Рисунок 7 - Первый этап. Напряжения в цилиндре с одинаковой толщиной стенок

Рисунок 6 - Второй этап. Напряжения в торе

Рисунок 8 - Второй этап. Напряжения в цилиндре с одинаковой толщиной стенок

■14961)1

| 503,72 >1

1446,96 >1 1 Л

Ш96>

Рисунок 9 - Второй этап. Разница деформаций в цилиндре с одинаковой толщиной стенок

Рисунок 10 - Первый этап. Концентраторы в оболочке с уменьшенной в два раза толщиной стенок сферы на торцах

348,98

349,34

Во втором расчёте для устранения «ступеньки» вы-равнено напряжение во всех частях оболочки согласно формулам (1) и (2); толщина оболочки составила 88 мм для цилиндра, 44 мм - для сферы:

Р£

-'сфера

сфера

И

(1)

сфера

р - коэффициент Пуассона для выбранного материала. Для сферы радиальное расширение рассчитывается по формуле:

ри:

(О,

'сфера

сфера

2Et

О" И )

(4)

сфера

где стсфера - радиальное напряжение в оболочке сферы; Р- внутреннее давление, приложенное к стенке; ^сфера - радиус сферы; Гсфера - толщина оболочки сферы;

РЯ„

(2)

где стцилиндр - радиальное напряжение в оболочке цилиндра;

4 цилиндр

- радиус цилиндра; цилиндр толщина оболочки цилиндра.

Результат показал, что данный метод не позволяет устранить перепад в деформациях (рисунок 10), который составил 65 мм.

В третьем расчёте выравнены радиальные деформации разных типов оболочек. Для цилиндра радиальное расширение рассчитывается по формуле:

ю

рп2 /

'Ацилиндр

цилиндр

Е1

1- И

цилиндр

2 )'

(3)

где юцилиндр - радиальное расширение в оболочке цилиндра; Е- модуль упругости материала;

где юцилиндр - радиальное расширение в оболочке сферы.

После преобразования формул (3) и (4) получено соотношение толщин оболочек:

2

1 -

'сфера

(1 -и)

(5)

Для высокопрочной стали это значение равно 2,4286.

Следуя данному соотношению, принята толщина стенок цилиндра 88 мм; сферы - 36,2 мм.

В полученных результатах полностью отсутствует разница в деформациях. На первом этапе в оболочке сферы напряжение по Мизесу - 350 МПа, что гораздо больше, чем в оболочке цилиндра, - 250 МПа (рисунок 11). Однако на втором шаге за счёт дополнительной нагрузки от искусственной гравитации напряжения выравниваются (рисунок 12).

Рисунок 11 - Первый этап. Напряжения в оболочках при соотношении их толщин 2,4286

скорости. Толщина стенок оболочки цилиндра - 62,9 мм. Результат расчёта отображён на рисунке 13.

Рисунок 13 - Второй этап. Напряжения в оболочке диаметром 500 м при внутреннем давлении 0,7 атм

Внутренний цилиндр выполнен диаметром 300 м и внутренним давлением 1 атм. Перепад давления, действующего на цилиндр, составит 0,3 атм. Искусственная гравитация равна 0,7д, что соответствует 0,21 рад/с угловой скорости. Толщина стенок оболочки цилиндра - 33,5 мм. Результат расчёта отображён на рисунке 14.

1464,64 )] [Й

Рисунок 12 - Второй этап. Напряжения в оболочках при соотношении их толщин 2,4286

Для оптимизации пространства ЭКД можно выполнить конструкцию станции в виде цилиндра в цилиндре. Данная компоновка позволит использовать цилиндры как опору для создания вращения (искусственной гравитации).

Внешняя оболочка получит внешний диаметр 500 м и внутреннее давление, равное 0,7 атм. Искусственная гравитация составит 0,7д, что соответствует 0,16 рад/с угловой

Рисунок 14 - Второй этап. Напряжения в оболочке диаметром 300 м при внутреннем давлении 1 атм и перепадом давления 0,3 атм

Столкновение оболочки ЭКД с высокоскоростными объектами

Результат расчёта удара высокоскоростного объекта показал эффективность защиты ЭКД. При столкновении с металлическим шаром диаметром 200 мм и весом 32,8 кг

на скоростях 10 км/с (рисунок 15) и 20 км/с (рисунок 16) полного пробития не произошло. Глубина воронки в слое грунта составила 3 м.

будут находиться во внутреннем цилиндре, а созданная внутри внешнего цилиндра замкнутая экосистема из растений (сады, леса, луга) некритична к падению давления воздуха.

Рисунок 15 - Результаты столкновения с движущимся на скорости 10 км/с объектом, имеющим радиус 200 мм

Рисунок 16 - Результаты столкновения с движущимся на скорости 20 км/с объектом, имеющим радиус 200 мм

Однако при столкновении с более крупными объектами последовало полное пробитие. В качестве примера взят металлический шар диаметром 400 мм и весом 263 кг, который двигался со скоростью 10 км/с (рисунок 17) и 20 км/с (рисунок 18). Результаты расчёта показывают повреждения на 0,15-й с после касания внешней оболочки высокоскоростным объектом.

В случае если внешняя оболочка потеряет герметичность, воздух начнёт уходить из зазора между внешней и внутренней оболочками. Впрочем, подобное повреждение не скажется на живучести ЭкоКосмоДома, так как люди

Рисунок 17 - Результаты столкновения с движущимся на скорости 10 км/с объектом, имеющим радиус 400 мм

Рисунок 18 - Результаты столкновения с движущимся на скорости 20 км/с объектом, имеющим радиус 400 мм

Выводы

и дальнейшие направления исследования

Для сравнения были выбраны два типа форм для проектирования ЭКД.

Результаты расчётов показали:

• тор с обшивкой из тонкой оболочки и плодородного слоя невозможно выполнить без дополнительных несущих конструкций;

• безмоментная теория расчётов оболочек в данном случае не соответствует предъявленным требованиям.

При расчёте цилиндрической оболочки необходимо выравнивать деформации стыка цилиндра и сферической части. Этот шаг достигается правильным соотношением толщин оболочки, которое зависит от типа используемого материала. Целесообразно провести исследования и расчёты по применению композитных материалов и оценить их влияние на работу оболочки.

Оболочка из плодородного слоя толщиной 10 м на должном уровне показала себя в качестве защитного материала от удара шарообразных стальных объектов размером до 200 мм, весом до 50 кг, движущихся на скорости до 20 км/с. Данные параметры идентичны характеристикам именно железного метеорита (а не каменного или состоящего из льда). Как правило, космический мусор имеет более сложную форму и большую пористость (он не является плотным шаром), поэтому допустимо предположение, что защита будет эффективна от космических объектов массой до 100 кг. И всё же при любом попадании повреждается

материал внешней оболочки, что может привести к потере полезных ресурсов и гибели жителей.

Следует создать дополнительную защиту для уменьшения повреждений внешней оболочки подобно щиту Уиппла [5, 6]. Надлежит также изучить возможности отслеживания и уничтожения объектов типа «железный метеорит» (диаметр которых составляет более 300 мм) до их столкновения с ЭКД.

Требуется проработать состав плодородного грунта уменьшенной плотности (для минимизации нагрузки на оболочку), способного к самозатягиванию пробоины в оболочке. Кроме того, необходимо предложить концепцию зонирования замкнутых экосистем - между оболочками и во внутренней оболочке, чтобы даже в случае пробоины внешней оболочки не подверглись опасности жители ЭКД, находящиеся во внутренней оболочке. Вместе с тем при посадке растений внутри внешней оболочки полагается учитывать, что скорость метеорита, пробившего внешнюю оболочку, можно гасить при помощи корневой системы, стволов и крон деревьев.

Литература

1. Юницкий, АЭ. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание / А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 с.: ил.

2. NASA Ames/Stanford 1975 Summer Study [Electronic resource]. - Mode of access: https://space.nss.org/settle-ment/nasa/75SummerStudy/Table_of_Contents1.html. -Data of access: 12.08.2020.

3. Bernal, J.D. The World, the Flesh & the Devil, 1929 Study [Electronic resource]. - Mode of access: https://www. marxists.org/archive/bernal/works/1920s/soul/. - Data of access: 12.08.2020.

4. O 'Neil, G.K. The High Frontier: Human Colonies in Space / G.K. O'Neill. - New York: William Morrow & Company, 1977. - 149 с.

5. Hypervelocity Impact Shield [Electronic resource]: Patent 5,067,388 USA /J.L. Crews, B.G. Cour-Palais;

The Administrator of the National Aeronautics and Space Administration, Washington. - Publ. date 26.11.1991. - Mode of access: https://worldwide.espacenet.com/patent/ search/family/024056178/publication/S5067388A?q=pn% 3DUS5067388. Data of access: 12.08.2020.

6. Enhanced Whipple Shield [Electronic resource]: Patent 5,610,363 USA / J.L. Crews [и др.]; The Administrator of the National Aeronautics and Space Administration, Washington. - Publ. date 11.03.1997. - Mode of access: https://worldwide.espacenet.com/patent/search/fami-ly/023542523/pubiication/US5610363A?q=pn%3DUS5610363. -Data of access: 12.08.2020.

7. Калашников, С.Г. Электричество / С.Г. Калашников. -М.: Физматлит, 2003. - 624 с.

8. Погорелов, В.И. Строительная механика тонкостенных конструкций / В.И. Погорелов. - СПб.: БХВ-Петербург, 2007. - 528 с.: ил.