CC BY
45УДК 629.784.017.07.023.26:523.68
влияние высокоскоростных ударов метеороидов и частиц космического мусора на прочность стекол иллюминаторов модулей международной космической станции
©2015 г. воробьев Ю.А.1, магжанов р.м.1, семенов в.и.2, устинов в.в.2, Фельдштейн в.А.2, чернявский А.Г.1
1 Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская область, Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru
2 Центральный научно-исследовательский институт машиностроения (ЦНИИмаш) Ул. Пионерская, 4, г. Королёв, Московская область, Российская Федерация, 141070,
e-mail: corp@tsniimash.ru
Воздействие метеороидов и частиц космического мусора на космические аппараты — один из факторов, существенно влияющих на надежность и безопасность функционирования долговременных пилотируемых орбитальных станций, в частности Международной космической станции (МКС). Признано, что необходимая безопасность МКС достигается только путем применения в конструкциях модулей специальных средств защиты от ударов (экранной защиты). На иллюминаторах модулей МКС использовать эти средства невозможно, так как в процессе полета при проведении некоторых экспериментов, связанных с фотографированием, иллюминаторы находятся в открытом положении, и их внешние стекла подвергаются воздействию метеороидов и частиц космического мусора. В этой связи особого внимания заслуживает оценка влияния ударов частиц на повреждаемость и сопутствующее ей снижение прочностного ресурса стекол, так как только понимание процесса развития повреждений может позволить прогнозировать долговременность безопасной эксплуатации иллюминаторов и станции в целом. Когда встал вопрос о продлении сроков эксплуатации станции, возникла необходимость проведения работ по оценке вероятности разрушения стекол иллюминаторов при наличии на их поверхности повреждений. Для решения этой проблемы необходимо было провести теоретические исследования и подтвердить их экспериментальным путем. В данной статье излагаются результаты экспериментально-теоретических исследований прочности стекол иллюминаторов, поврежденных в результате ударов частиц, необходимые для оценки остаточного прочностного ресурса. Эти исследования позволили с достаточной степенью достоверности обосновать пролонгацию срока эксплуатации иллюминаторов Российского сегмента МКС и определять их жизненный запас в реальный момент времени.
Ключевые слова: иллюминатор, метеороиды, частицы космического мусора, ресурсная прочность, Международная космическая станция, стекло, пролонгация, экспериментально -теоретические исследования.
THE EFFECT OF HIGH-VELOCITY IMPACTS OF METEOROIDS AND SPACE DEBRIS ON THE STRENGTH OF GLASS IN THE WINDOWS OF THE INTERNATIONAL SPACE STATION MODULES
Vorobiev Yu.A.1, Magzhanov R.M.1, Semenov V.I.2, Ustinov V.V.2, Feldshtein V.A.2, Chernyavsky A.G.1
1 S.P. Korolev Rocket and Space Public ^rporation Energía (RSC Energia) 4A Lenin Street, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
2Central Research Institute of Machine Building (TsNIImash) 4 Pionerskaya str, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: corp@tsniimash.ru
The effect of meteoroid and space debris particles on spacecraft is one of the factors that have a significant impact on the reliable and safe operation of long-term manned space stations including the International Space Station (ISS). It is recognized that the required level of the ISS safety can only be achieved through the use of special protective aids (shields) in the module structures. It is impossible to use these shields on the windows of the ISS modules, since in the course of the mission some experiments involving imaging require that the windows stay open and their external panes are exposed to particles of micrometeoroids and space debris. In this connection, of special note is the estimate of the effects of the particle impacts on the damageability and the associated reduction in durability of the glasses, because only the understanding of the process of damage propagation can make it possible to predict the longevity of safe operation of windows and station as a whole. When the question of extending the station life was raised, the need arouse to conduct work to evaluate the probability of window glass failure in the presence of damage on glass surface. To address this problem, theoretical studies had to be conducted and confirmed through experiment. This paper presents the results of experimental and theoretical research in the strength of window glass damaged by particle impacts required for evaluating the remaining endurance. This research made it possible to provide a rationale, with a sufficient degree of confidence, for extending the life of windows on the Russian Segment of the ISS and determine their remaining life at an actual moment in time.
Key words: window, meteoroids, space debris particles, durability, International Space Station, glass, extension, experimental and theoretical research.
ВОРОБЬЕВ Ю.А.
МАГЖАНОВ Р.м.
СЕМЕНОВ В.и.
УСТИНОВ в.в.
ФЕЛЬДШТЕЙН В.А.
ЧЕРНЯВСКИЙ А.Г.
ВОРОБЬЕВ Юрий Андреевич — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: yury.vorobjov@rsce.ru
VOROBIEV Yury Andreevich — Candidate of Science (Engineering), Lead Research Scientist at RSC Energia, e-mail: yury.vorobjov@rsce.ru
МАГЖАНОВ Раис Мухтясибович — заместитель руководителя НТЦ - начальник отделения РКК «Энергия», e-mail: rais.magzhanov@rsce.ru
MAGZHANOV Rais Mukhtyasibovich — Deputy Head of STC - Head of Division at RSC Energia, e-mail: rais.magzhanov@rsce.ru
СЕМЕНОВ Валерий Иванович — главный специалист ЦНИИмаш, e-mail: corp@tsniimash.ru SEMENOV Valery Ivanovich — Chief Specialist at TsNIImash, e-mail: corp@tsniimash.ru
УСТИНОВ Владимир Васильевич — кандидат технических наук, начальник сектора ЦНИИмаш, e-mail: corp@tsniimash.ru
USTINOV Vladimir Vasilyevich — Candidate of Science (Engineering), Head of Subdepartment at TsNIImash, e-mail: corp@tsniimash.ru
ФЕЛЬДШТЕЙН Валерий Адольфович — доктор технических наук, начальник отдела ЦНИИмаш, e-mail: dinpro@mail.ru
FELDSHTEIN Valery Adolfovich — Doctor of Science (Engineering), Head of Department at TsNIImash, e-mail: dinpro@mail.ru
ЧЕРНЯВСКИЙ Александр Григорьевич — заместитель генерального конструктора РКК «Энергия», e-mail: alexander.cherniavsky@rsce.ru
CHERNYAVSKY Alexander Grigoryevich — Deputy General Designer at RSC Energia, e-mail: alexander.cherniavsky@rsce.ru
Общая характеристика проблемы
Опыт эксплуатации МКС (около пятнадцати лет на орбите) показал, что ее поверхность имеет множественные следы соударений с метеороида-ми и частицами космического мусора. Согласно существующим моделям осколочно-метеороид-ной среды, годовые потоки частиц размером свыше 1 мм составляют 10-3...10-2 (шт./год-м2), а среднее число ударов N пропорционально площади элемента, времени его экспозиции и зависит от ориентации элемента на данной орбите. В дальнейшем рассматриваются мелкие частицы миллиметровых размеров, так как вероятность P1 = одного удара круп-
ной частицы невелика [1].
В составе модулей МКС в качестве остекления используются иллюминаторы типа ТС К 316, наибольшее количество из них находится на служебном модуле (рис. 1), которые также подвергаются воздействию метеороидов и частиц космического мусора.
13 14 45368 79^2 26
Рис. 1. Иллюминаторы служебного модуля (расположение, тип): 1 — ТСК.316.02.000 (0228); 2 — ТСК.316.02.000; 3 — ТСК.316.02.000; 4 — ТСК.316.03.000; 5 — ТСК.316.02-1.000; 6 — ТСК.316.02-1.000; 7 — ТСК.316.02-1.000; 8 — ТСК.316.02-1.000; 9 — ТСК.316.01.000 (0426, без покрытия); 12 — ТСК.316.02.000; 13 — ТСК.316.02.000; 14 — ТСК.316.02.000; 26 — ТСК.316.03.000 (080)
Иллюминатор представляет собой двухкамерную конструкцию (рис. 2), в ней внешнее стекло подвергается воздействию микрометео-роидов и частиц космического мусора, в результате чего на его поверхности появляются каверны (рис. 3), которые снижают прочность стекла. По мере дальнейшей эксплуатации стекла под нагрузкой каверны увеличиваются, и с течением времени может произойти его разрушение. В соответствии с требованиями к Российскому сегменту (РС) SSP 50094 это недопустимо, поэтому в процессе полета МКС необходимо проводить постоянный контроль состояния внешних стекол иллюминаторов, чтобы иметь возможность при достижении каверной критических размеров, приводящих к разрушению стекла, провести необходимые работы по восстановлению двухбарьерного контура герметичности. Сегодня достоверные данные по оценке ресурсной прочности стекол с повреждениями отсутствуют, имеются лишь отдельные научные публикации по долговременной прочности стекол, но этого недостаточно для определения сроков дальнейшей безопасной эксплуатации иллюминаторов. Поэтому была поставлена задача — определить предельно допустимые параметры каверны для стеклянных дисков иллюминаторов, чтобы затем в процессе мониторинга иллюминаторов проводить оценку состояния каверны и по мере приближения ее к критическим размерам предпринимать необходимые меры по восстановлению второго контура герметичности, например, установить на иллюминатор герметизирующую крышку.
Контроль состояния иллюминаторов осуществляется экипажем с периодичностью два раза в год. На стеклах иллюминаторов обнаружены десятки мелкократерных повреждений размером до 1 мм от микрометеороидов и
мелкой фракции орбитального космического мусора (ОКМ). Имеются также отдельные повреждения средних размеров (с кавернами до 4,5 мм) от субмиллиметровых частиц (рис. 3). Мелкократерная эрозия и каверны имеют масштаб, превышающий размеры дефектов трещиноватого слоя, образующегося при обработке поверхности стекол, и находятся на растянутой поверхности наружного стекла иллюминатора. В окрестности ударного кратера в каверне лицевого скола возникают сконцентрированные зоны микро- и макротрещин в диапазоне размеров от микронов до миллиметров, в т. ч. и невидимые, процесс развития которых во времени определяет прочностной ресурс поврежденного стекла.
Рис. 2. Конструкция иллюминатора: 1 — внутреннее стекло; 2 — внешнее стекло; 3 — межстекольное пространство
Рис. 3. Состояние иллюминатора МКС после десяти лет эксплуатации: 1 — каверна; 2 — царапина
Это может привести к разрушению стекла — быстрому (в случае превышения действующими напряжениями остаточной прочности), либо в долговременном режиме продолжения его эксплуатации (от действующих напряжений ниже кратковременного уровня остаточной прочности поврежденного стекла).
Прогнозирование остаточного ресурса стекол иллюминаторов является комплексной проблемой, включающей учет осколочно-
метеороидной обстановки на орбитах [1], оценку вероятности ударов, особенности прочности хрупкого стекла с кратерными повреждениями, а также проведение наземного экспериментального моделирования удара и последующего выдерживания поврежденных стекол под действующей нагрузкой.
Для решения вышеописанных проблем необходимо:
• определение минимального критического размера D* ударной каверны, при котором происходит мгновенное разрушение стекла под действующей нагрузкой (по данным экспериментов [2] для силикатного стекла толщиной 15 мм D* = 30...35 мм при глубине кратера p = 4.5 мм от удара алюминиевой частицы размером d ~ 1,3 мм со скоростью V ~ 7 км/с).
• расчетно-экспериментальное определение временного ресурса t(D) (времени с момента появления каверн субкритических размеров D<D* на стекле до его разрушения).
Эта программа начала реализовываться на экспериментальной базе ударной прочности ЦНИИмаш совместно с РКК «Энергия». Ниже излагаются полученные результаты.
прочностные характеристики стекла
Разрушение стекла связано с возникновением в нем наблюдаемой трещины, в процессе ее развития происходит быстрое хрупкое разрушение стекла под статической нагрузкой. Хрупкость стекла характеризуется малыми значениями предельной деформации su = 0,11...0,13%. Прочность стекла определяется на стандартных образцах в виде круглых пластинок диаметром 22±0,1 мм и толщиной 1 ±0,05 мм, прошедших глубокое шлифование и полирование (ГШП), при стандартных для хрупких материалов испытаниях на осе-симметричный чистый изгиб с кольцевой опорой диаметром 10 мм и кольцевым пуансоном диаметром 4 мм [3, 4] в течение 5.10 мин. Испытания проводятся на серии около 30 образцов одной поставки (плавки). При этом прочность стекла на изгиб, необходимая для обычных условий его применения, характеризуется математическим ожиданием (с); минимальное значение с . характеризует безопас-
min 1 r J
ный уровень, а максимальное с — возможный
J 1 ' max
технологический резерв. Существенный для стекла разброс значений с (~30%) характеризуется коэффициентом вариации V (отношение среднеквадратичного отклонения сск к математическому ожиданию (с)). Разброс обусловлен наличием микротрещин, которые снижают реальную прочность стекла по сравнению с ее теоретическим значением.
В табл. 1 приведены прочностные параметры кварцевых стекол, используемых в иллюминаторах МКС, — отечественного марки КВ и американского марки Corning 7940.
Таблица 1
Прочностные характеристики отечественных и американских кварцевых стекол иллюминаторов МКС
Марка стекла amin, МПа <а), МПа amax, МПа стск, МПа V, %
КВ 48 122 265 40 32
Corning 7940 59 72 — 10 14
Отметим существенно более высокое (на 23%) значение cmin кварцевого стекла Corning 7940 по сравнению с КВ при вдвое меньшем разбросе и меньшее (на 43%) значение <с).
Для оценки вероятности разрушения стекол иллюминаторов важны статистические распределения характеристик прочности кварцевых стекол. По приведенным характеристикам рассчитаны нормированные нормальные дифференциальное /(а) и интегральное F(a) распределения прочности рассматриваемых стекол. Интегральное распределение задает верхнюю оценку прочности квантилями высокого уровня. Например, квантиль уровня 0,95 — значение прочности, для которого F(a ) = 0,95. То
а
0,95
есть, вероятность того, что прочность стекла не превышает квантиля, составляет 95% с. Тем самым определяется вероятность разрушения стекла при превышении расчетным значением напряжения этой верхней оценки. Интегральное распределение позволяет не только оценить степень опасности больших напряжений, но и установить степень безопасности малых напряжений расчетом квантилей низкого уровня. Например, квантиль уровня 0,05 — это значение с005 прочности, для которого Дс005) = 0,05.
То есть, вероятность того, что прочность стекла не превышает квантиля, составляет всего лишь 5%, так что с надежностью 95% этот квантиль можно считать безопасным уровнем напряжений. Распределения прочности кварцевых стекол КВ и Corning 7940, оптического стекла К8 и силикатного ФП представлены на рис. 4.
Соответствующие безопасные (с надежностью 99%) напряжения а0,01 составляют 34 и 48,7 МПа. Видно, что оба распределения для кварцевого стекла КВ занимают промежуточное положение между распределениями оптического стекла К8 и силикатного ФП. Безопасное напряжение 34 МПа для КВ также находится между его значениями 30,6 МПа для К8 и 36,6 МПа для ФП.
а)
120 б)
Рис. 4. Нормальные распределения прочности различньж стекол: а — дифференцальное f (Corning 7940 — по правой оси ординат; слева — стекла отечественного производства); б — интегральное F; 1 — Corning 7940; 2 — ФП силикатное; 3 — КВ; 4 — К8
Распределения для стекла Corning 7940 отличаются меньшим разбросом показателей прочности, что свидетельствует о высокой стабильности технологии производства. Из интегрального распределения видно, что максимальная прочность этого стекла находится в диапазоне 100...105 МПа, т. е. вдвое ниже ее расчетных значений (240.260 МПа) для рассмотренных отечественных стекол. Экспериментальные значения а составляют 196, 265
max '
и 220 МПа для ФП, КВ и К8 соответственно. Несмотря на это, а также невзирая на меньшие средние значения прочности, стекло Corning 7940 следует считать наиболее прочным, так как уровень 48,7 МПа безопасного напряжения, основного параметра при оценках риска разрушения стекла, для него значительно выше, чем для стекла КВ (34 МПа). При этом безопасное напряжение для силикатного стекла ФП 36,6 МПа несколько выше, чем для стекла КВ. Анализ результатов показывает, что безопасные (с надежностью 99%) напряжения в зоне растяжения при изгибе располагаются в порядке возрастания следующим образом:
• 34 МПа (отечественное кварцевое стекло марки КВ иллюминаторов РС МКС);
• 36,6 МПа (термополированное силикатное стекло ФП);
• 48,7 МПа (американское кварцевое стекло марки Corning 7940 для остекления Shuttle).
Таким образом, прочность силикатного стекла на 8%, а американского кварцевого стекла на 43% выше, чем стекла КВ.
Стекла иллюминаторов МКС рассчитаны на длительный и подлежащий пролонгации период эксплуатации станции. Поэтому рассмотренные выше уровни кратковременной прочности нельзя использовать для определения запасов прочности стекол в реальных условиях их функционирования, так как уровни долговременной прочности значительно ниже. В стекольной промышленности для периода эксплуатации в десятки лет принимается обычно коэффициент долговременности >4, так что безопасные напряжения при неограниченной длительности использования стекол находятся на уровнях: 7,6 (К8); 8,5 (КВ); 9,2 (ФП) и 12,2 МПа (Corning 7940). Расчетные значения максимальных прогибов W, изгибных напряжений аг в наружных стеклах иллюминаторов РС МКС под действием эксплуатационного давления в камере между стеклами (в предположении свободного опирания по контуру) приведены в табл. 2.
Таблица 2
максимальные расчетные прогибы и напряжения в стеклах иллюминаторов рС мкС
Иллюминатор (тип) ТСК-316.03 ТСК-316.02 ТСК-316.01
Прогиб Ж, мкм 1,2.5,7 20,4.90,6 19,5.86,4
Радиальное напряжение сг, МПа 0.2,6 0.9,1 0.5,28
Окружное напряжение сф, МПа 1,2.2,75 4,8.9,1 2,78..5,28
На рис. 5 представлены эпюры распределения по радиальной координате окружных и радиальных напряжений, на растянутой поверхности стекол иллюминаторов, а также прогиба под штатным давлением 0,1 МПа для свободного опирания стекла. Экспериментальные исследования по прочности поврежденных стекол необходимо проводить на штатных сборках иллюминаторов. При давлении между стеклами на уровне 0,07 МПа штатные напряжения в стеклах большинства иллюминаторов СМ находятся на уровне не более 7 МПа при коэффициенте безопасности, равном 1,2.
Главной особенностью хрупкого стекла является его низкая трещиностойкость, обусловливающая высокую чувствительность прочности стекла к состоянию поверхности, на которую влияют степень шлифовки и полировки [4]. При обработке абразивом со
средним размером зерна й на поверхности стекла возникает нарушенный трещиноватый слой толщиной (2,5.3)й. Теория трещин дает связь прочности стекла с размером повреждения:
с!0 5 - аК ,
1с'
где ! — размер трещины в направлении ее распространения, параметр а включает коэффициент концентрации напряжений на дефекте. Экспериментальные исследования подтвердили эту зависимость прочности стекла в диапазоне с = 15...200 МПа при размерах дефектов в диапазоне 5 мкм.5 мм.
Рис. 5. Главные напряжения и прогиб наружного стекла иллюминаторов (стекло D = 256 мм; с = 14 мм): — — радиальное напряжение; — — тангенциальное напряжение; — — прогиб стекла
Коэффициент трещиностойкости стекла Ки = [епЕ/(1 - V2)]0,5
определяется упругими характеристиками (еП, V) и удельной энергией Е развития трещины.
Показатель критической интенсивности напряжений
Ки = [2уэ£/(1 - V2)]05
для кварцевых стекол, используемых в российских иллюминаторах, в сухом азоте равен 0,73 МПа Vм (для щелочного стекла 0,68.0,74 МПа при толщинах 10.15 мм и 0,54.0,58 МПа при толщинах 2.5 мм).
Величина эффективной поверхностной энергии
уэ = 0,5Кс (1 - ^)/Е
равна 2,33 мкДж/мм2 для стекла КВ (3,43 мкДж/мм2 для щелочного стекла), т. е. удельная энергия образования свободной поверхности у силикатного стекла примерно в полтора раза выше по сравнению с кварцевым.
Орбитальная температура стекол иллюминаторов находится в пределах ±200 °С на солнечной и затененной сторонах Земли. Тепловые свойства кварцевого стекла:
удельная теплоемкость с = 0,60.0,77 Дж/г-К в интервале ±100 °С (на уровне алюминия); теплопроводность X = 0,74 Вт/м-К (на уровне кирпича); коэффициент линейного теплового расширения а = 0,5-10-6К-1 (на порядок ниже, чем у обычных материалов). Температурные напряжения в стекле не могут превысить уровня 3,8 МПа (в худшем случае жесткого защемления стеклянного диска по контуру).
Стойкость плавленого кварца к тепловому удару характеризуется высоким показателем термостойкости — перепадом температур, при котором происходит разрушение цилиндрического образца диаметром и длиной по 10 мм при быстром перемещении из печи в воду. Этот показатель составляет ~1 000 °С. Отметим, что температурные изменения упругих характеристик стекол в интервале температур -65...+120 °С не превышают 1.2%.
Данные по микротвердости стекла дают представление о температурных изменениях его прочностных свойств (обычно аморфной структуры). Для кварцевого стекла микротвердость при охлаждении от 700 °С (начало размягчения) до -100 °С возрастает всего на 7%, а нагрев до 100 °С понижает ее только на 20%. Прочность полированного (ГШП) кварцевого стекла падает от 160 МПа при -200 °С до 90 МПа при 160 °С; последующее восстановление прочности до нормального значения (105 МПа) при нагреве до 400 °С, возможно, связано с уменьшением концентрации напряжений в вершинах микротрещин. В этом плане ударный нагрев стекла (в идеале с оплавлением кратера) может снизить опасность повреждения его поверхности. Следует отметить, что многократное термоциклирование стекол иллюминаторов, несмотря на невысокий уровень
температурных напряжений в стекле, наряду с бортовыми вибрациями может со временем способствовать прорастанию трещин в стеклах из зон ударных повреждений.
Длительная прочность стекол иллюминаторов с кратерными повреждениями в осколочно-метеороидной среде
Расчетные оценки долговременной прочности стекол иллюминаторов основаны на экспериментальных данных по временной зависимости прочности стекла КВ. Имеющиеся экспериментальные данные [3, 5] для стекол КВ и ФП получены на образцах 100*100*5 мм при выдержках до 500 ч в нормальных условиях температуры (20±5) °С и влажности (60±10)%. Временная зависимость прочности стекла в обычной степенной форме т[сек] = (с1 /с)1 получается из аппроксимации экспериментальных данных ^т = а - у^с[кг/мм2]. При этом показатель у зависит только от химического состава и структуры стекла, а коэффициент а = у^с определяется состоянием поверхности и размером образца (здесь с1 — прочность образца при длительности нагружения т = 1 с). Для стекла КВ получены значения у = 20 и а = 12 (с1 = 39 МПа) при уровне надежности 99%. При этом вероятность разрушения стекла (задаваемый уровень надежности временного ресурса его прочности) определяется через коэффициент а по соответствующему квантилю в распределении характеристики с1. Долговременная прочность стекла марки КВ определяется обратной аппроксимацией ^С[кг/мм2] = 0,60 - 0,05^т(с). Расчетные данные для отечественных и американских стекол приведены в табл. 3 вместе с грубой экстраполяцией на годы.
Таблица 3
Долговременная прочность российских и американских кварцевых и силикатных стекол (МПа)
Стекла /Время 0,1 с 1 с 30 с 60 с 300 с 600 с 103 с 1 ч 1 сут 1 мес. 1 г. 10 лет
Кварцевое (Россия) 43,8 39 33 31,8 29,3 28,3 27,6 26 22 18,6 16,4 14,7
Кварцевое (США) 159 136 112 108 100 97 95 90 80 71 66 61
Силикатное (Россия) 41,8 37 31 29,8 27,4 26,4 25,7 24 20,3 17 14,9 13,2
Силикатное (США) 106 86 67 64 59 56 55 52 44 39 36 33
Видно, что переход с суточной выдержки нагрузки на годы уменьшает ресурсную прочность стекол не более, чем на 35% (отечественных) и на 25% (американских). Во всем рассмотренном диапазоне длительностей коэффициент долговременности нагружения лежит в интервале 3,1.4,2. Существенные
различия абсолютных значений прочности для отечественных и американских стекол объясняются тем, что для первых приведены безопасные уровни прочности, а для вторых — их средние значения. Следует отметить, что переход в испытаниях с секундных выдержек нагрузок на минутные может дать падение
экспериментальных значений прочности более чем на 20%, что может объяснять различия результатов из разных источников. Полученные расчетные оценки показывают, что ресурсная прочность стекла КВ на срок 30 лет находится на уровне 13,9 МПа (ниже кратковременной прочности на 59%), так что даже внутреннему давлению 0,1 МПа на наружное стекло иллюминатора соответствует коэффициент безопасности около 1,4.
Отметим, однако, что как ресурсная, так и кратковременная прочности характеризуют критический уровень растягивающих максимальных радиальных напряжений осесимме-тричного чистого изгиба в стандартной схеме испытаний стекла. Тогда как в штатных условиях нагружения стекол иллюминаторов имеет место поперечный изгиб с максимальными окружными напряжениями при меньших радиальных напряжениях. То есть, если в стандартных испытаниях поверхности стекла находятся в условиях одноосного растяжения -сжатия, то в реальных условиях внешняя поверхность наружного стекла иллюминатора находится в условиях двухстороннего растяжения, а внутренняя — в условиях двухстороннего сжатия.
Для оценки прочности стекол иллюминаторов с учетом специфики ударных воздействий мелких высокоскоростных частиц необходимо экспериментально моделировать удар частиц по образцам стекла для получения повреждений, хотя бы качественно адекватных натурным (орбитальным), а затем испытывать поврежденные образцы на воздействие статических штатных нагрузок.
В отличие от пластичных материалов с кратерами относительно плавных очертаний, почти полным выносом из них материала и выступающей над поверхностью кромкой, поверхность стекла при высокоскоростном ударе образует мелкие осколки и кратер, располагающийся внутри выемки от поверхностного лицевого скола, частично незавершенного и часто неправильной формы, особенно при косых ударах. При этом кратер под поверхностью скола окружает зона отходящих мелких трещин (нарушающих прозрачность стекла), распространяющихся не только вдоль поверхности, но и в глубину слоя. Микротрещины простирания, при очень малом изгибе стекла от удара, развиваются в магистральные, пронизывающие всю толщину слоя. В тонких стеклах трещины по толщине после выхода на тыльную поверхность образуют зону пробоя, большая часть которой остается заполненной сцепленными мелкими осколками неправильной формы, а в более толстых стеклах
возможно возникновение тыльного откола под зоной растрескивания.
Приведем эмпирические зависимости параметров кратеризации (диаметр и глубина кратера, размер каверны лицевого скола) от параметров ударного воздействия. На практике масштаб малого повреждения удобнее всего характеризовать измеряемым средним размером D (мм) каверны. Анализ экспериментальных данных [6, 7, 8, 9] для кварцевых стекол марок Corning 7940 и КВ показывает, что в диапазонах параметров D = 6.56 мм и импульсов частицы I = 0,2.10,0 мг-км/с между ними существует удовлетворительная (с коэффициентом детерминации R2 = 0,928) корреляция вида D = 18,556I0,4795.
Глубина каверны обычно составляет 10.20% ее диаметра. Установлена [8] также корреляция диаметра каверны лицевого скола D с энергией E частицы в диапазоне E = 0,2.32 Дж (при уровне детерминации R2 = 0,882): D = 13,3Р,4152.
Эта зависимость позволяет идентифицировать энергию частицы, образовавшей кратер, наблюдаемый при бортовом мониторинге, и планировать эксперимент по имитации обнаруженного повреждения в наземных условиях. При одинаковых параметрах удара каверны в силикате существенно меньше, чем в кварце. Установленные зависимости могут быть использованы при планировании экспериментов по нанесению повреждений с необходимыми параметрами на образцы, предназначенные для последующих испытаний на длительную прочность.
Остановимся детальнее на проблеме остаточной прочности стекол с ударными кратер-ными повреждениями поверхности. Изгибную жесткость пластины в целом при малой зоне мелкого повреждения (глубина каверны лицевого скола на порядок меньше ее размера) можно считать ненарушенной, и по экспериментально находимой несущей способности пластины можно расчетом оценить изгибную остаточную прочность стекла в поврежденной зоне. Имея в виду также концентрацию напряжений в поврежденной зоне, следует считать остаточную прочность некоторой эффективной определяемой характеристикой. Статистическая нижняя оценка остаточной прочности стекла с0 с нахождением по экспериментальным данным квантиля низкого уровня требует испытаний не менее 30 пластин стекла с близкими картинами повреждений (прежде всего размерами каверн D), не говоря уже об установлении корреляции с0 в нужном диапазоне значений D. С учетом немалых затрат на большие образцы (300x300x14 мм) кварцевого
стекла с глубокой шлифовкой и полировкой поверхностей и на эксперименты по высокоскоростному удару такая экспериментальная программа требует серьезного материального обеспечения и поэтапной реализации. Полученные совместно со специалистами НИИ технического стекла экспериментальные результаты для стекла марки КВ на малых образцах 100*100*5 мм с кавернами Б = 9...39 мм, полученными от удара алюминиевой частицей диаметром й (мм), характеризуются большим разбросом при малом количестве испытаний и дают лишь предварительные оценки масштаба падения прочности стекол с ударными кавернами (табл. 4).
Таблица 4
Примечание. * — остаточная прочность необъяснимо велика (ср. с экспериментом 4). Прочность неповрежденного кварцевого стекла характеризуется значениями 48.127.265 МПа при среднеквадратичном отклонении 40,2 МПа.
Видно, что остаточная прочность кварцевого стекла падает на 14.34% относительно нижнего уровня (34 МПа) его прочности. Однако для отечественных стекол отсутствует статистически репрезентативный набор данных по остаточной прочности образцов с ударными кавернами. Для стекла марки Corning 7940 большой объем испытаний (сотни образцов) позволил установить эмпирическую зависимость остаточной прочности (в МПа) от размера каверны (в мм) с надежностью 0,9 [6]:
а0 (D) = 25,862D 03563. (1)
В частности, по результатам испытаний уникальных образцов стекла с натурными (орбитальными) кратерными повреждениями остекленияp ~ 0,2.0,3 мм иллюминаторов Shuttle в экспедициях STS-20, 31, 310, 410 и 416 установлено падение прочности стекла Corning 7940 с нижнего уровня 49 МПа до остаточных величин 26.39 МПа.
На основе проведенных экспериментов получены расчетные верхние оценки энергетических затрат на повреждение (дробление и трещинообразование в окрестности каверны) кварцевого стекла при ударных испытаниях путем вычитания только энергии разрушения алюминиевой частицы из энергии удара. Результаты расчетов дают зависимость энергии (мДж) от размера каверны (мм):
Е = 5,35D20764 (2)
др ' v '
с детерминацией R2 = 0,841, причем близость к двойке показателя степени размера каверны подтверждает затраты энергии в стекле на тре-щинообразование свободных поверхностей. Исходя из удельной энергии образования поверхности уэ = 2,33 мкДж/мм2, находим для каверны миллиметрового размера верхнюю оценку масштаба трещинообразования в ее окрестности (~10 см2). По-видимому, такие оценки завышены из-за неучета энергии выброса алюминия и стекла из каверны и волнового уноса. С другой стороны, подстановка обратной зависимости D = 0,4459Едр0,4816 в представленную выше корреляцию остаточной прочности с размером каверны (1) дает оценки зависимости остаточной прочности кварцевого стекла Corning 7940 от энергии его дробления в ударной каверне (в принятых размерностях)
а0(Е ) = 34,486Е -0,1716. (3)
0 др др
Эта зависимость получена экспериментально и может использоваться в диапазоне Едр = 100 мДж.10 Дж. Сравнение со значениями прочности неповрежденного стекла Corning 7940 свидетельствует о том, что некоторый небольшой кратер на поверхности стекла является концентратором напряжений и инициатором развития трещин в хрупком стекле под нагрузкой. При этом увеличение размера кратера понижает прочность стеклянной пластины не столь значительно, как сам факт возникновения кратера.
При известных штатных напряжениях в стеклах иллюминаторов приведенные зависимости позволяют оценить критические уровни кратерных повреждений, приводящие к быстрому разрушению наружного стекла конкретного иллюминатора в случае превышения фактическими напряжениями остаточной прочности поврежденного стекла.
Экспериментальное моделирование ударов частиц по образцам стекол иллюминаторов
При имитации высокоскоростных ударов орбитальных частиц по образцам стекла наиболее сложной является разработка
Остаточная прочность образцов
№ эксп. d, мм Повреждение D/p, мм оост, МПа
1 0,6 21/0,4 24,5
2 0,6 9/1 29,4
3 0,6 23/0,4 24,5
4 0,7 14/2,8 16,7
5 1,0 11/1,3 28,4
6 1,0 23x18/1,3 28,4
7 1,0 39/2,3 24,5*
8 1,0 31/1,6 23,5
9 1,0 39 22,5
10 1,0 35/1,6 23,5
экспериментальных схем и средств метания со скоростями до 10 км/с алюминиевых и боросиликатных частиц субмиллиметрового размера. Эту проблему нельзя считать решенной, если учитывать необходимость контроля параметров удара (сохранность, размер и скорость частицы) и сохранения целостности образца стекла после удара наряду с чистотой единичного мелкого кратера. Каждое такое испытание требует немалых затрат (особенно на дорогостоящие образцы кварцевого стекла) и в некотором смысле уникально, а зависимость прочности стекла от набранной статистики требует испытаний десятков образцов на каждый режим. Экспериментальные трудности ускорения частиц размером 0,1.1 мм до скоростей уровня 7 км/с общеизвестны, поэтому возникает вопрос о возможностях моделирования нужных повреждений поверхности стекла при других условиях удара. В работе [8] предлагается методика энергетического моделирования кратерных повреждений на поверхности стекла переходом на удар частицами с большей массой и меньшей скоростью соударения, основанная на полученных выше энергетических зависимостях (1-3). Меньшая скорость удара при моделировании приводит, естественно, к уменьшению давления в проходящей по толщине стекла ударной волне. Максимальные давления и массовые скорости, возникающие в кварцевом стекле в зоне удара алюминиевой частицы со скоростью V, иллюстрирует рис. 6.
15,5
ns
1-1 оГ К К <и
ч я
ПЗ
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
г СТ.
/т Т _ > /
ал
и =>
<= 0
/1
5,0 4,5 4,0
3,5 « о.
3,0 §
о
2,5 3 в
2,0 § дз
1,5 S 1,0
1,0
0,5 7,0
2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
Скорость удара, км/с
Рис. 6. Зависимость скорости U и давления P в кварцевом стекле от скорости у дара алюминиевъх и стальнъх частиц
Испытания проводились на пороховой баллистической установке (ПБУ) (рис. 7). Установка обеспечивает испытания при скоростях 0,1.2,0 км/с для частиц 0,1.5,0 г (размером 2.12 мм).
1 2
5 6
10
Iр^У
а)
б)
Рис. 7. Пороховая баллистическая установка: а — схема; б — общий вид
Примечание. 1 — детонатор; 2 — детонационная разводка; 3 — ствол; 4 — направляющие; 5 — плита с отсекателем; 6 — контактные датчики; 7 — фторопластовый отсекатель; 8 — испытываемые образцы; 9 — вибродатчики (акселерометры); 10 — станина.
Для субмиллиметровых частиц диапазон скоростей разгона может быть расширен до
3.4 км/с. Для имитации ударов ОКМ по стеклу использовались шарообразные частицы из алюминиевого сплава 2017-Т4 (св = 425 МПа) и компактные цилиндрические частицы из сплава Д-16Т (св = 450 МПа). Удары производились по нормали к поверхности образца. Отработка режимов соударения проводилась на малых (100*100*15 мм) образцах силикатного стекла и перед зачетными испытаниями на
больших (300*300*15 мм) образцах.
Для достижения скоростей в диапазоне
2.5 км/с применяется двухступенчатая схема разгона частицы, где в качестве второй ступени используется отсекатель поддонов со специальным сужающимся коническим каналом.
По высокоскоростным испытаниям кварцевых стекол (V = 6,78.7,3 км/с частицами размера d = 0,4 мм) имеются только данные [7]. Энергия и импульсы ударов уменьшаются на порядок (по сравнению с ударом V = 7,11 км/с частицы d = 0,8 мм по силикатному стеклу) до значений E = 2,15.2,5 Дж и I = (6,5.7)-10 3 кПа-с-см2, что приводит к уменьшению размеров каверн до значений D = 10,2 мм (для частицы d = 0,8 мм — каверна D = 25 мм) для силикатного стекла, D = 13,5 мм для стекла Corning 7940 и D = 15,5 мм для стекла КВ (больше, чем в силикатном стекле и американском кварцевом) (рис. 8).
Рис. 8. Ударные повреждения различньж стекол: а — силикатное стекло марки ФП; E = 2,154 Дж/I = 0,00648 кПа-с-см2; V = 6,78 км/с; D = 10...10,5мм; глубина кратера hp = 0,71 мм диаметр кратера ¿к = 3,5 мм; б — кварцевое стекло марки КВ E = 2,289Дж/I = 0,00668 кПа-с-см2; V = 6,99 км/с; D = 14,2.17 мм Ьк = 0,67мм, d = 3 мм; в — кварцевое стекло марки Corning 7940 E= 2,496 Дж/Г= 0,00698 кПа-с-см2; V = 7,3 км/с; D = 13,5 мм, h = 0,765мм; d = 3,3мм
кр ' ' кр '
В экспериментах на ПБУ основные испытания проводились на штатных кварцевых стеклах иллюминаторов при ударах со скоростями V = 2,4; 2,6; 2,7 км/с частицами размеров d = 2,8 (их осколками); 2,0; 1,1 мм с энергиями ударов E = 93; 40; 7 Дж и импульсами I = 0,79; 0,31; 0,054 кПа-с-см2. Ударные повреждения стекол иллюминаторов находились в диапазоне D = 17.36 мм. Данные этих экспериментов приведены в следующем разделе.
Испытания на штатное нагружение стекол иллюминаторов с кратерными повреждениями
Испытания образцов стекол с кратерными повреждениями на штатную нагрузку проводились на стенде, обеспечивающем поддержание вакуума на поврежденной поверхности образца, размещенного в штатной обойме иллюминатора. Целью первого этапа испытаний было нахождение критических размеров ударных каверн, при которых происходит быстрое разрушение кварцевых стекол под штатной нагрузкой. Образцы устанавливались на переходный фланец ресивера, соединение которого
с вакуумной камерой осуществлялось через клапан с ручным управлением. Переходный фланец допускает установку стекол формата 300*300 мм с прижимом по контуру 0245 мм через резиновый уплотнитель (рис. 9, 10). Испытания на вакуум проводились следующим образом. Воздух из вакуумной камеры откачивался до давления 0,5.0,7 мм рт. ст. Затем приоткрывался вакуумный клапан и плавно в течение 5 с происходило вакуумирование ресивера до 1.2 мм рт. ст. Если образец сразу не разрушался, его выдерживали под нагрузкой еще в течение 5.10 мин.
Рис. 9. Схема нагружения образца стекла односторонним атмосферным давлением: 1 — образец стекла; 2 — ресивер; 3 — вакуумный клапан; 4 — вакуумная камера
Рис. 10. Общий вид образца при испытаниях
На установке ПБУ на кварцевых стеклах смоделированы ударные каверны размеров Б = 10.36 мм с простиранием зоны растрескивания на визуальные глубины до 7 мм.
Картины ударных повреждений поверхности кварцевого стекла при убывании интенсивности ударов показаны на рис. 11, а; 12, а; 13, а.
На рис. 11, б; 12, б; 13, б показаны результаты испытаний на одностороннее атмосферное давление соответствующих кварцевых стекол иллюминаторов, поврежденных ударами частиц.
б)
Рис. 11. Ударные повреждения поверхности кварцевого стекла частицей размером 1,1 мм при скорости удара V = 2,7 км/с (Е = 7,1 Дж, I = 0,0537 кПа-с-см2): а — ударная каверна размером 28...30мм; б — результаты испытаний после нагружения
Результаты экспериментов по моделированию крупных каверн в силикатных и кварцевых стеклах, а также испытаний стекол с кавернами на фактическое нагружение атмосферным давлением свидетельствуют о правильности моделирования повреждений стекол и дают первые оценки критических размеров каверн в них.
б)
Рис. 12. Ударные повреждения поверхности кварцевого стекла алюминиевой частицей размером 2 мм при скорости удара
V = 2,54 км/с (Е = 39,6 Дж, I = 0,311 кПа-с-см2): а — ударная каверна размером 36 мм; б — результаты испытаний после нагружения
По результатам испытаний поврежденных стекол на штатную нагрузку атмосферным давлением установлены критические размеры каверн (для силикатных стекол <40 мм), приводящие к быстрому разрушению стекла. Для штатных кварцевых стекол иллюминаторов критические размеры каверн находятся в диапазоне 28.32 мм при скоростях удара
V = 2,6.2,7 км/с и параметрах удара внутри диапазонов по энергиям E = 7.17 Дж и по импульсам I = 0,054.0,134 кПа-с-см2.
б)
Рис. 13. Ударные повреждения поверхности кварцевого стекла алюминиевой частицей размером 2,8 мм при скорости V = 2,4 км/с (Е = 92,6 Дж, I = 0,787 кПа-с-см2): а — множественное повреждение поверхности осколками разрушившейся частицы (между крупными кавернами размеров D = 10 и 17 мм образовался глубокий скол размером 8 мм); б — результаты испытаний после нагружения
Результаты проведенных исследований
Воздействие осколочно-метеороидной среды на стекла иллюминаторов долговременных пилотируемых станций является фактором, который необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации станций.
В ходе проведенных исследований определены факторы, влияющие на ресурсную прочность стеклянных дисков иллюминаторов, в основном это повреждения от воздействия метеороидов и частиц космического мусора.
С использованием теории трещиностой-кости и степенной зависимости длительности роста трещины определены параметры критической каверны.
Проведены эксперименты на ПБУ, подтверждающие расчетные данные по оценке параметров критической каверны.
Для оценки состояния и прочностного ресурса стекол иллюминаторов МКС и будущих подобных орбитальных станций необходим регулярный бортовой мониторинг повреждений, имитация ударных повреждений в лабораторных условиях и экспериментальное определение остаточного ресурса путем испытаний на штатный (или форсированный) режим нагружения.
Необходимо создание комплексного стенда для реализации этой программы, включающего установку для высокоскоростного метания имитаторов частиц космического мусора и метеороидов и устройство для создания штатных нагрузок на поврежденные образцы стекол иллюминаторов, закрепленные в штатной обойме с имитацией вакуума.
Список литературы
1. Protection Manual, IÄDC-WD-QQ-Q3, vers.3.2 rev. 12 September, 2QQ3.
2. Nagy K., Christiansen E., LearD., Davis B.Ä. ISS Russian window HVI test series (Ver.S), Phase 1: Stressed and unstressed soda lime glass // NÄSÄ/ JSC, 28 Äpril 2Q1Q. 15p.
3. Брест ВА, Шелюбский В.И. Прогнозирование долговечности стеклянных изделий при действии длительных переменных нагрузок // Стекло и керамика. 1991. № 9. С. 7-8.
4. Иванов А.В. Прочность оптических материалов // Л.: Машиностроение, 1989. 144 с.
5. Брест В.А., Шелюбский В.И. Прочность стекла при длительном нагружении // Стекло и керамика. 1991. № 6. С. 14-16.
6. Edelstein K.S. Strength and life analysis of service module window 13 // NÄSÄ/JSC ES2, 2QQ9. 4 p.
7. Bernhard R, Christiansen E.L. HVI Testing of Russian glass, LMSEAT 34370 -JSC 62??1, JSCHITF/NÄSÄ & Lockheed Martin, Äugust 2QQ4. 2Q p.
8. Власов Ф. Ю., Воробьев Ю. А., Семенов В. И., Устинов В. В. Идентификация кра-терных повреждений стекол иллюминаторов в осколочно-метеоритной среде // Космонавтика и ракетостроение. 2012. № 2(67). С. 165-171.
9. McMagon J., Christiansen E., Williams B., Lear D., Davis D.A. ISS Russian KE HVI Test Program, ver. 5//NÄSÄ/JSC, June 2Q12.28p. Статья поступила в редакцию 11.11.2014 г.
References
1. Protection Manual, IADC-WD-00-03, vers. 3.2 rev. 12 September 2003.
2. Nagy K., Christiansen E, Lear D., Davis B.A. ISS Russian window HVI test series (Ver.8), Phase 1: Stressed and unstressed soda lime glass. NASA/JSC, 28 April 2010, 15p.
3. Brest V.A., Shelyubskii V.I. Prognozirovanie dolgovechnosti steklyannykh izdeliipri deistvii dlitel'nykh peremennykh nagruzok [Life prediction of glass products under the sustained variable loads]. Steklo i keramika, 1991, no. 9, pp. 7-8.
4. Ivanov A.V. Prochnost' opticheskikh materialov [Optical material strength]. Leningrad, Mashinostroenie publ, 1989. 144 p.
5. Brest V.A., Shelyubskii V.I. Prochnost' stekla pri dlitel'nom nagruzhenii [Glass strength under the sustained loading]. Steklo i keramika, 1991, no. 6, pp. 14-16.
6. Edelstein K.S. Strength and life analysis of service module window 13. NASA/JSC ES2, 2009, 4 p.
7. Bernhard R, Christiansen E.L. HVI Testing of Russian glass, LMSEAT 34370 -JSC 62771, JSCHITF/ NASA & Lockheed Martin, August 2004,20 p.
8. Vlasov F.Yu., Vorob'ev Yu.A, Semenov V.I., Ustinov V.V. Identifikatsiya kraternykhpovrezhdenii stekol illyuminatorov v oskolochno-meteoritnoi srede [Identification of the crater damages of the window glass in the debris-meteorite environment]. Kosmonavtika i raketostroenie, 2012, no. 2(67),pp. 165-171.
9. McMagon J, Christiansen E., Williams B., Lear D., Davis D.A. ISS Russian KE HVI Test Program, ver. 5. NASA/JSC, June 2012,28p.
