Устройство для защиты космических аппаратов и станций от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды

Устройство для защиты космических аппаратов и станций от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к средствам защиты космических аппаратов и станций от высокоскоростных частиц космической среды и может использоваться для защиты космических аппаратов от механических повреждений.

Концепция экранной защиты, состоящая в установке экрана на некотором расстоянии перед защищаемой стенкой, была предложена Уиплом в 1947 г. Экран обеспечивает фрагментацию системы ударник-преграда при космических скоростях удара, а поперечный разлет фрагментов после экрана - уменьшение плотности потока импульса на защищаемой стенке.

Противоударная стойкость защиты по принятой в настоящее время методике ее оценки для космических аппаратов определяется зависимостью d_c=d_c(ν), где d_c - критический диаметр алюминиевого шарика, разделяющего области пробивания и непробивания защищаемой стенки, ν - скорость удара. Для условий околоземного космического пространства защита современных космических модулей обеспечивает величину d_c˜1 см при скорости удара ν˜7 км/с. В общем случае необходимая противоударная стойкость защиты определяется при заданном уровне безопасности распределением частиц по массам и скоростям при заданной пространственной ориентации защищаемой стенки.

Затраты массы на построение экранной защиты современных космических модулей сравнимы с массой защищаемой стенки и превосходят 10 кг/м². Высокая стоимость вывода в космос каждого килограмма массы обусловливает потребность в снижении затрат на защиту космических модулей при данной ее стойкости.

Качество защиты определяется, главным образом, эффективностью дробления частиц (характерным размером фрагментов разрушения) и величиной угла конуса разлета фрагментов (поперечным импульсом, приобретенным фрагментами в результате ударного разрушения частицы).

Полная энергия облака фрагментов в системе центра масс определяется только массой разрушенной части экрана и не зависит от деталей его конструкции. Особенности конструкции, однако, оказывают существенное влияние на соотношение между интегральными величинами кинетической и внутренней энергии и на распределение энергии по массе ударника и разрушенной части экрана.

В качестве экрана обычно используется тонкая алюминиевая пластина. Для оценки величины импульса, переданного ударнику при столкновении с тонкой пластиной, в статье D.E.Grady, N.A.Winfree. Impact fragmentation of high - velocity compact projectiles on thin plates: a physical and statistical characterization of fragment debris. Int. J. Impact Eng. 26 (2001), 249-262 предложена простая геометрическая модель, согласно которой только нормальная к поверхности ударника компонента скорости пластины участвует в передаче ему импульса. Справедливость этого предположения подтверждена сравнением расчетов с результатами натурных и вычислительных экспериментов.

Причина адекватности модели представляется вполне прозрачной. Нормальная к поверхности ударника компонента скорости пластины порождает в нем ударную волну, перенос импульса в которой осуществляется со скоростью порядка звуковой. Тангенциальная компонента скорости должна была бы порождать в ударнике сдвиговую волну. Однако амплитуда этой волны ограничена величиной предела текучести в ударно сжатом материале, очень малой в сравнении с характерной величиной давления, а в гидродинамическом приближении просто равной нулю. Другой возможный механизм переноса тангенциальной компоненты импульса связан с вязкостью. Этот механизм также неэффективен, поскольку вязкость ударно сжатых материалов невелика. При типичных для ударного нагружения скоростях деформации вязкость большинства металлов составляет по порядку величины 10³ Па·с и слабо зависит от скорости деформации (А.А.Дерибас. Физика упрочнения и сварки взрывом. Новосибирск: «Наука», 1980).

Оценка толщины слоя материала ударника, вовлеченного в тангенциальное движение за счет вязкого переноса импульса за время ударного нагружения, показывает, что для пластины толщиной 1 мм толщина указанного слоя не превышает нескольких десятков или сотен микрон. Таким образом, тангенциальная компонента импульса локализована в очень тонком слое материала. Соответственно, переносом тангенциальной компоненты импульса при столкновении ударника с тонкой пластиной можно пренебречь.

При столкновении компактного ударника с пластиной низкая эффективность передачи тангенциальной компоненты импульса обусловлена сплошностью преграды, исключающей внедрение ее элементов в тело ударника. В случае ячеистой конструкции преграды ее плотные элементы способны проникать в ударник, обеспечивая разлет диспергированного материала через ячейки. Например, при столкновении с сетчатой преградой происходит внедрение ее плотных элементов - струн - в ударник. В представляющем интерес диапазоне скоростей соударения внедрение тонкой струны в ударник происходит по механизму кратерообразования. На начальном этапе в теле ударника формируется канавка, вытянутая в направлении струны. Струна при этом сильно деформируется; в конечном счете, материал струны, по крайней мере, частично оказывается размазанным по стенкам канавки. Передача импульса от внедряющегося элемента струны по нормали к стенкам канавки происходит по сравнительно быстрому механизму. Вдоль направления канавки, как и в случае столкновения со сплошной пластиной, перенос импульса осуществляется за счет вязкости, т.е. весьма медленно и неэффективно. Переносом компоненты импульса, направленной вдоль канавки, можно пренебречь и в случае сетчатых преград.

При равной удельной массе защитных экранов величина импульса, переданная сетчатым экраном, в среднем в 1,33 раза больше, чем сплошным. Во столько же больше и величина энергии облака фрагментов в системе центра масс.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является устройство для защиты космических аппаратов и станций от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды (см. Eric L.Christiansen, Advanced meteoroid and debris shielding concepts, 1990, AIAA, 90-1336), включающее защитный сетчатый экран.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности защиты и уменьшение массы защитной конструкции за счет направленного воздействия на ударяющую частицу с целью повышения дисперсности фрагментации системы ударник-преграда и увеличения угла разлета фрагментов.

Техническое решение задачи в предлагаемом изобретении достигается тем, что в устройстве для защиты космических аппаратов и станций от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды, содержащем защитный экран, защитный экран выполнен в виде ячеистой конструкции с компактными массивными элементами из плотного материала, на компактные массивные элементы нанесено покрытие из легкого материала, способного переходить в газофазное состояние в процессе проникания элемента в налетающую частицу за счет фазового или химического превращения. В качестве материала покрытия используют полимерный материал с низкой плотностью, например, или поливинилхлорид, или полиэтилен, илитефлон.

В качестве материала покрытия используют композиционный материал, компоненты которого способны вступать в экзотермическую химическую реакцию при проникании элемента в налетающую частицу, например композит «алюминий - тефлон» в соотношении 0,1-0,25/0,9-0,75 по массе.

Ячеистая конструкция может представлять собой или несущую основу в виде сетки, при этом компактные массивные элементы закреплены в узлах сетки, или несущую основу из легкой ткани или нетканого материала низкой плотности, при этом компактные массивные элементы дискретно расположены и закреплены по всей поверхности несущей основы, или выполнена в виде проволочной металлической сетки, при этом в качестве компактных массивных элементов используют элементы сетки.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема защитного экрана в виде ячеистой конструкции с расположением компактных элементов с активным покрытием в узлах сетки; на фиг.2 - схема защитного экрана в виде ячеистой конструкции с периодическим расположением компактных элементов с активным покрытием на низкоплотной несущей основе; на фиг.3 - схема защитного экрана в виде ячеистой конструкции, выполненной в виде металлической сетки; на фиг 4 - схема внедрения компактных элементов в частицу и ее разрушения.

Устройство включает защитный экран, который выполнен в виде ячеистой конструкции 1 с компактными массивными элементами 2. На компактные массивные элементы 2 нанесено покрытие 3. Компактные массивные элементы 2 выполнены из плотного материала, в качестве которого используют или алюминий, или сталь, или медь, или композиционные материалы, включающие вольфрам, в виде сплава «вольфрам-никель-железо». Покрытие 3, нанесенное на компактные массивные элементы 2, состоит из легкого материала, способного переходить в газофазное состояние в процессе проникания элемента 2 в налетающую частицу (ударник) за счет фазового или химического превращения. В качестве материала покрытия 3 используют полимерный материал с низкой плотностью (или поливинилхлорид, или полиэтилен, или тефлон). В качестве материала покрытия 3 также используют композиционный материал, компоненты которого способны вступать в экзотермическую реакцию при проникании элемента в налетающую частицу. В качестве композиционного материала используют композит «алюминий-тефлон» в соотношении 0,1-0,25/0,9-0,75 по массе.

Ячеистая конструкция 1 может быть выполнена в виде несущей основы, на которой дискретно расположены компактные массивные элементы 2 с нанесенным на них покрытием 3.

Несущая основа ячеистой конструкции 1 может быть выполнена в виде сетки 4 (см. фиг.1). В случае выполнения несущей основы в виде сетки 4 компактные массивные элементы 2 расположены в узлах сетки 4 с образованием ячеистой конструкции 1.

Также в качестве несущей основы ячеистой конструкции 1 (см. фиг.2) может быть использован материал низкой плотности 5, например легкая ткань или нетканый материал низкой плотности. В этом случае компактные массивные элементы 2 расположены по всей поверхности несущей основы дискретно с образованием ячеистой конструкции.

Кроме того, ячеистая конструкция 1 может быть образована проволочной металлической сеткой 6 (см. фиг.3). В этом случае в качестве компактных массивных элементов 2 используют элементы сетки 6. Покрытие 3 наносят непосредственно на элементы сетки 6.

Устройство для защиты функционирует следующим образом.

При высокоскоростном ударном взаимодействии ударника (космической частицы) 7 (см. фиг.4) с защитным экраном происходит проникание компактных массивных элементов 2 с покрытием 3 внутрь ударника 7. Элементы 2 глубоко внедряются в ударник 7, что, во-первых, существенно увеличивает площадь реакционной поверхности (зона реакции 8), и, во-вторых, реакция будет протекать не только в тонком слое у контактной поверхности защитного экрана, но и в треках, образующихся в ударнике 7 за проникающими элементами 2 экрана (в паровой фазе). Повышение давления на внутренней поверхности треков за счет химического взаимодействия материалов ударника 7 и компактных элементов 2 с покрытием 3 или за счет перехода активного материала покрытия 3 в газовую фазу способствует увеличению поперечной компоненты импульса фрагментов распада ударника 7.

Для усиления эффекта воздействия элементы 2 целесообразно изготавливать из высокоплотного материала, в качестве которого используют или алюминий, или сталь, или медь, или композиционные материалы, включающие вольфрам, в частности сплав «вольфрам-никель-железо».

Материал компактных массивных элементов целесообразно выбирать исходя из прогноза наиболее вероятной скорости опасной частицы с учетом проникающей способности элемента при их ударном взаимодействии.

В предлагаемом изобретении в соответствии с поставленной технической задачей направленное воздействие на ударяющую частицу (ударник 7) можно обеспечить за счет проникания компактных массивных элементов 2, выполненных из плотного материала, защитного экрана внутрь ударника 7 при высоких скоростях соударения, которое обеспечивается ячеистой структурой экрана или низкой плотностью несущей основы 1, на которой закреплены элементы 2.

Компактные элементы 2 как в случае сеточной 4 основы, так и в случае сплошной низкоплотной 5 основы, а также в случае выполнения ячеистой конструкции 1 в виде металлической сетки 6, когда в качестве компактных массивных элементов 2 используют элементы сетки 6, образуют в плане ячеистую конструкцию 1 (дискретную периодическую решетку). Такое их расположение обеспечивает разгрузку ударно-сжатого материала частицы через промежутки между компактными элементами 2. Компактность массивных элементов 2 обеспечивает более высокую величину передачи импульса от экрана ударяющей частице 7 в сравнении с воздействием как сплошного, так и сетчатого экрана.

Для экранов с ячеистой конструкцией факторы - увеличение дисперсности и поперечной скорости фрагментов - могут быть усилены за счет дополнительного энерговыделения, реализуемого в процессе проникания массивных элементов 2 экрана в ударяющую частицу (ударник) 7. Источником дополнительной энергии в данном предложении является специальное покрытие 3, наносимое на плотные элементы 2 экрана, способные проникать в ударяющую частицу (ударник) 7.

Особенностью покрытия 3 является его способность переходить в газофазное состояние в условиях интенсивного нагружения, характерного для ударного взаимодействия с космическими скоростями. Переход в газофазное состояние может происходить за счет: 1) физического фазового перехода; 2) химического взаимодействия с материалом частицы; 3) химической реакции между компонентами покрытия.

Наиболее эффективное использование такого энерговыделения для повышения качества защиты возможно только для экранов с ячеистой структурой.

Применительно к орбитальным условиям общепризнано, что основную долю опасных частиц составляют осколки алюминиевых сплавов, легированных магнием, кремнием и другими добавками. В меньшей степени представлены сплавы титана, жаропрочные сплавы и неметаллические материалы. Большинство этих материалов характеризуется высокой теплотой реакции с тефлонами. Указанные вещества достаточно стабильны в орбитальных условиях и, вместе с тем, обеспечивают большой энергетический эффект в реакциях с частицами орбитальной среды.

Результаты оценки максимальной теплоты представляющих интерес реакций тефлонов с компонентами орбитальных осколков представлены в табл.1.

Табл.1.Тепловые эффекты реакций тефлонов с компонентами частиц орбитальной среды
№ п/п	Уравнение реакции	Тепловой эффект в расчете на единицу массы окислителя, кДж/кг
1	4Al+3C2F4→4AlF3+6С	12410
2	Ti+C2F4→TiF4+2C	8560
3	Si+C2F4→SiF4+2С	8630
4	2Mg+C2F4→2MgF2+2С	14360
5	4В+3С2F4→4ВF3+6С	8200
6	4Al+3С2F3Cl→3АlF3+AlCl3+6С	9850
7	4Ti+4С2F3Cl→3TiF4+TiCl4+8С	7300
8	4Si+4С2F3Cl→3SiF4+SiCl4+8С	6440
9	4Mg+2С2F3Cl→3MgF2+MgCl2+4C	11960
10	4В+3С2F3Cl→3ВF3+BCl3+6С	6030

Как видно из представленных данных, тепловые эффекты весьма велики (для сравнения - тепловой эффект реакции взрывчатого превращения тротила составляет около 4000 кДж/кг). Таким образом, с термодинамической точки зрения создание защитных конструкций, содержащих в качестве активного компонента тефлоны, является оправданным.

Анализ имеющихся экспериментальных данных позволяет сформулировать физический сценарий ударного взаимодействия малых компактных элементов 2 с нанесенным на них покрытием 3 (например, тефлоновым) с относительно крупными образцами (ударник 7) (например, как наиболее встречающимися, из алюминиевых сплавов). Образцы (компактные элементы 2 с тефлоновым покрытием) вследствие низкой плотности и скорости звука, а также низких термомеханических свойств (температура размягчения около 260°С) внедряются в алюминий как срабатывающиеся ударники. Химическая реакция тефлонов с алюминием начинается в тонком слое в окрестности контактной поверхности и сопровождается образованием большого количества фторуглеродных радикалов с небольшими молекулярными массами. Последнее влечет за собой дополнительное повышение давления на стенках образующейся каверны и ускоряет ее рост. Образование фторидов алюминия, промотирующее ее испарение из массивной фазы, повышение температуры за счет выделяющегося в реакции тепла и интенсивная пластическая деформация приводят к увеличению массопереноса алюминия в тефлон и к усилению процесса.

Изготовление компактных массивных элементов 2 из высокоплотного материала (указано выше), обладающего высокой теплотой реакции с материалом покрытия 3 (в частности, с тефлоном) обеспечит большую скорость и глубину проникания элемента 2 экрана в разрушаемую частицу (ударник 7) и, соответственно, большую глубину превращения материала покрытия за время фрагментации и большую величину поперечного импульса.

Положительный эффект от использования в качестве материала покрытия 3 полимерного материала с низкой плотностью заключается в образовании газофазных продуктов и высоких температур при разложении под действием больших сдвиговых напряжений.

При использовании в качестве материала покрытия 3 композиционного материала, компоненты которого способны вступать в экзотермическую химическую реакцию при проникании элемента в налетающую частицу, происходит повышение давления газофазных продуктов за счет дополнительного энерговыделения.

Положительный эффект от использования в качестве покрытия 3 непосредственно или поливинилхлорида, или полиэтилена, или тефлона заключается в высоком уровне газообразования при разложении, которое наступает при соударении космической частицы 7 с компактным массивным элементом 2.

Положительный эффект от композита «алюминий-тефлон» заключается в большой величине теплоты реакции между компонентами.

Специфика орбитальных условий накладывает жесткие ограничения на материалы и конструкции защитных экранов, содержащих химически активные компоненты. Высокие требования по безопасности, радиационной стойкости и долговечности полностью исключают применение взрывчатых веществ. Проблематичным представляется использование любых составов, способных к быстрым экзотермическим превращениям за счет реакций между собственными компонентами: высокоэнергетическое излучение и ультрафиолетовое излучение Солнца вызывает ускоренную деградацию таких составов, протекающую, как правило, по радикальному или цепному механизмам.

Наиболее перспективный путь - использование реакции непосредственно между элементами защитного экрана и частицами орбитальной среды. Основным препятствием к эффективной реализации такой схемы является гетерогенный характер реакции. По крайней мере на начальной стадии соударения ударника с преградой (защитным экраном) скорость реакции пропорциональна площади поверхности контакта реагирующих фаз. Соответственно, определяющее влияние на полноту протекания реакции (глубину превращения) и полезный эффект оказывают условия соударения. По этой причине использование активных (по отношению к материалу ударника) веществ в сплошных экранах вряд ли имеет смысл. При взаимодействии со сплошным экраном площадь реакционной поверхности порядка площади поперечного сечения ударника и увеличивается, главным образом, за счет его ударной фрагментации. В этом случае глубина превращения на представляющих интерес временах пренебрежимо мала. Кроме того, геометрия взаимодействия компактного ударника со сплошным экраном такова, что трудно ожидать заметного влияния реакции на характеристики поперечного разлета.

При взаимодействии же ударника с защитным экраном предлагаемой конструкции ситуация качественно меняется.

Положительный эффект от использования предлагаемой конструкции защитного экрана - это повышение дисперсности разрушения ударяющей частицы и увеличение скорости поперечного разлета фрагментов, которое обеспечивается за счет внедрения компактных частиц в ударяющую частицу и за счет дополнительного энерговыделения благодаря нанесенному на компактные элементы покрытию из активного материала. Именно внедрение и дополнительное энерговыделение обеспечивает более сильное воздействие на частицу.

В настоящее время широко используются сплошные экраны (обычно алюминиевая пластина). При ударе по такой пластине с высокой скоростью частица и часть экрана разрушается или расплавляется или даже переходит в газовую фазу (в зависимости от скорости удара), но материал пластины не проникает в ударник. В случае сеточного экрана, которые также используются, проволока сетки проникает в материал ударника на некоторую глубину. Предлагаемое использование компактных частиц с нанесенным на них покрытием из активного материала и увеличивает глубину проникания и, тем самым, разрушающее действие указанных вариантов экранов. Ячейки - свободная область, через которую течет материал ударника. Сплошной низкоплотный материал не будет препятствием для такого течения в промежутках между компактными частицами вследствие его низкой плотности.

Таким образом, предлагаемая конструкция защитного экрана обеспечивает большую разрушающее воздействие на ударяющую частицу как за счет внедрения элементов экрана в материал частицы, так и за счет газофазного превращения покрытия плотных элементов экрана, что способствует эффективности защиты и уменьшению массы защитной конструкции.

1. Устройство для защиты космических аппаратов и станций от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды, содержащее защитный экран, отличающееся тем, что защитный экран выполнен в виде ячеистой конструкции с компактными массивными элементами из плотного материала, при этом на компактные массивные элементы нанесено покрытие из легкого материала, способного переходить в газофазное состояние за счет фазового или химического превращения в процессе проникания компактного массивного элемента в ударяющую частицу.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве материала покрытия использован полимерный материал с низкой плотностью.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве материала покрытия использован композиционный материал, компоненты которого способны вступать в экзотермическую химическую реакцию при проникании компактного массивного элемента в ударяющую частицу.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве полимерного материала использованы или поливинилхлорид, или полиэтилен, или тефлон.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве композиционного материала использован композит "алюминий-тефлон" в соотношении (0,1-0,25)/(0,9-0,75) по массе.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ячеистая конструкция представляет собой несущую основу в виде сетки, при этом компактные массивные элементы закреплены в узлах сетки.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ячеистая конструкция представляет собой несущую основу из легкой ткани или из нетканого материала низкой плотности, при этом компактные массивные элементы дискретно расположены и закреплены по всей поверхности несущей основы.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ячеистая конструкция представляет собой проволочную металлическую сетку, при этом в качестве компактных массивных элементов использованы элементы сетки.