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 еще 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, разделяющий 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 такой 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 сотни 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 ее внедрение в тело ударника. При столкновении с сетчатой преградой происходит внедрение ее 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 сетчатый защитный 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.

Такое воздействие можно обеспечить за счет проникания компактных массивных элементов защитного экрана внутрь ударника при высоких скоростях соударения, которое обеспечивается ячеистой структурой экрана или низкой плотностью несущей основы, на которой закреплены эти элементы.

Техническое решение обеспечивается тем, что в устройстве для защиты космических аппаратов и станций от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды, включающем защитный экран, защитный экран представляет собой ячеистую конструкцию, выполненную в виде дискретно расположенных компактных массивных элементов, закрепленных на несущей основе, компактные массивные элементы выполнены из плотного материала, размер ячейки ячеистой конструкции не превышает половины, а размер компактного массивного элемента - одной четверти минимального характерного размера опасной частицы.

В качестве несущей основы используют сетку, при этом компактные массивные элементы закреплены в узлах сетки.

В качестве несущей основы используют легкую ткань или нетканый материал низкой плотности.

Компактные массивные элементы как в случае сеточной основы, так и в случае сплошной низкоплотной основы образуют в плане дискретную периодическую решетку. Такое их расположение обеспечивает разгрузку ударно-сжатого материала частицы через промежутки между компактными частицами. Компактность массивных элементов обеспечивает более высокую величину передачи импульса от экрана ударяющей частице в сравнении с воздействием как сплошного, так и сетчатого экрана.

В качестве плотного материала компактных массивных элементов используют или алюминий, или сталь, или медь, или композиционные материалы, включающие вольфрам. А в качестве композиционного материала используют сплав вольфрам-никель-железо.

Соотношение между размером частицы (ударника) и размерами ячейки и компактного элемента относится к наиболее опасным частицам, которые определяются на основе требований, предъявляемых к противоударной стойкости защиты в конкретных условиях.

Выбранное соотношение между этими размерами обеспечивает практически беспрепятственную разгрузку и разлет материала частицы в процессе ударного нагружения, а количество компактных элементов, воздействующих на частицу при соударении, достаточно для обеспечения приемлемого качества ее фрагментации.

Для частиц, размер которых превышает заданный размер опасной частицы, размер ячейки не будет оптимальным, но эффективность ячеистого экрана будет выше в сравнении со сплошным экраном за счет более эффективной передачи импульса при внедрении плотных элементов экрана в ударяющую частицу.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая схема защитного экрана с расположением компактных элементов в узлах сетки, на фиг.2 - общая схема защитного экрана с периодическим расположением компактных элементов на низкоплотной несущей основе, на фиг.3 - иллюстрация фрагментации ударника в процессе внедрения в него компактных элементов экрана при высокоскоростном взаимодействии (в сечении)

Устройство включает защитный экран в виде ячеистой конструкции. Ячеистая конструкция представляет собой несущую основу 1, на которой дискретно расположены компактные массивные элементы 2. 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. Несущая основа 1 ячеистой конструкции может быть выполнена в виде сетки 3 (см. фиг.1). В случае выполнения несущей основы 1 в виде сетки 3 компактные массивные элементы 2 расположены в узлах сетки 3 с образованием ячеистой конструкции.

В качестве несущей основы 1 ячеистой конструкции могут использовать материал низкой плотности 4, например легкую ткань или нетканый материал низкой плотности. В этом случае компактные массивные элементы 2 расположены по всей поверхности несущей основы 1 дискретно с образованием ячеистой конструкции.

Устройство для защиты функционирует следующим образом.

При высокоскоростном ударном взаимодействии ударника (космической частицы) (см. фиг.3 - иллюстрация фрагментации с защитным экраном) происходит проникание компактных массивных элементов 2 внутрь ударника. Элементы 2 глубоко внедряются в ударник, что, во-первых, увеличивает дисперсность разрушения ударника и, во-вторых, увеличивает угол разлета фрагментов. Эти два фактора обеспечивают уменьшение плотности импульса на защищаемой стенке и, тем самым, повышают противоударную стойкость защиты.

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.

Алюминий как материал компактных элементов экрана ячеистой структуры предпочтительнее для тех зон, для которых вероятность попадания опасной частицы со скоростями менее 2.5-3 км/с ничтожно мала, так как проникающая способность частицы при этих скоростях высока из-за сохранения ее целостности при ударе. Для разрушения частицы при указанных скоростях удара необходимо использовать компактные элементы из более плотного материала. В этом случае предпочтение может быть отдано стали из-за ее низкой стоимости. Медь вследствие ее высокой пластичности при внедрении в алюминиевую преграду оказывает расталкивающее действие на стенки кратера, что способствует разрушению частицы. Положительный эффект вольфрама - его высокая плотность, обеспечивающая его повышенную компактность и, как следствие, высокую проникающую способность, что важно для разрушения ударяющей частицы.

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. Именно внедрение 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 увеличивает глубину проникания и, тем самым, разрушающее действие указанных вариантов экранов. Ячейки сеток - 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 скорость и глубину проникания элемента экрана в разрушаемую частицу, что способствует эффективности защиты и уменьшению массы защитной конструкции.

1. Устройство для защиты космических аппаратов и станций от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды, включающее защитный экран, отличающееся тем, что защитный экран представляет собой ячеистую конструкцию, выполненную в виде дискретно расположенных и закрепленных на несущей основе компактных массивных элементов, при этом компактные массивные элементы выполнены из плотного материала, причем размер ячейки ячеистой конструкции не превышает половины, а размер компактного массивного элемента - одной четверти минимального характерного размера опасной частицы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве несущей основы использована сетка, при этом компактные массивные элементы закреплены в узлах сетки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве несущей основы использованы легкая ткань или нетканый материал низкой плотности.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве плотного материала использованы или алюминий, или сталь, или медь, или композиционный материал, содержащий вольфрам.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве композиционного материала использован сплав «вольфрам-никель-железо».