Защитный экран космического аппарата от ударов техногенных частиц и метеороидов

Защитный экран космического аппарата от ударов техногенных частиц и метеороидов

Реферат

Изобретение относится к космической технике, а именно к экранам для защиты космического аппарата от высокоскоростного ударного воздействия техногенных частиц и метеороидов.

В настоящее время для защиты космических аппаратов от высокоскоростных частиц используют различные защитные покрытия и экраны, при соударении с которыми эти частицы теряют свою энергию. Наиболее эффективная защита достигается установкой экрана на некотором расстоянии перед защищаемой стенкой. Экран обеспечивает фрагментацию системы ударник - преграда при космических скоростях удара, а поперечный разлет фрагментов после экрана - уменьшение плотности потока импульса на защищаемой стенке. Дальнейшим развитием этой технологии является использование нескольких разнесенных экранов, на каждом из которых частица теряет часть своей энергии и дробится на более мелкие фракции, расходящиеся за экраном.

Традиционно защитные экраны выполняются негибкими (например, патент РФ 2457160 от 03.03.2011, B64G 1/56), что препятствует их использованию в составе трансформируемых космических конструкций.

Для решения этой проблемы (в рамках создания трансформируемых космических модулей) американскими специалистами было предложено использование многослойной противометеороидной защиты, состоящей из тканевых защитных экранов и межэкранных разделителей. Такая противометеороидная защита встраивается в оболочку трансформируемого космического модуля и, по предварительным оценкам, обеспечивает требуемый уровень защиты от ударного воздействия метеороидов. Например, в трансформируемом космическом модуле TransHab, разрабатываемом HACA, защита от метеороидов обеспечивается с использованием пяти разнесенных экранов из тканевых слоев материала Nextel (Некстел), которые разделены дистанцирующими прокладками из пенопласта.

Наиболее близким аналогом к заявленному защитному экрану, выбранным в качестве прототипа, является тканевый защитный экран, состоящий из нескольких слоев технической ткани из высокопрочных волокон (Nextel (Некстел), Kevlar (Кевлар) и др.).

Описание конструкции изложено в статье «Inflatable Habitats» (авторы: Kriss J. Kennedy, Jasen Raboin, Gary Spexarth, Gerard Valle, NASA Johnson Space Center, Houston, Texas), опубликованной в издании «Paul Zarchan. Gossamer Spasecraft: Membrane and Inflatable Structures Technology for Space Applications // Reston, Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. ISBN 1-56347-403-4. 2001. С 527-529, 534-535, 545».

Задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, являются повышение эффективности защиты с одновременным обеспечением возможности защиты разворачиваемых в космосе трансформируемых объектов, в частности надувных космических модулей. При этом гибкость экрана позволяет существенно уменьшить его габаритные размеры в транспортном состоянии и на участке выведения за счет компактной укладки с последующим разворачиванием до рабочей конфигурации на орбите. Также обеспечивается возможность использования экрана для защиты космических аппаратов со сложной поверхностной конфигурацией.

Указанные задачи обеспечиваются тем, что предлагаемый защитный экран выполнен из композиционного материала, состоящего из мелкодисперсного наполнителя из частиц по крайней мере одного порошка тяжелого металла с плотностью не менее 6000 кг/м³ с характерным размером частиц от 5 до 500 мкм и связующего из эластичного полимера, при этом массовое содержание порошка в композите составляет от 0,4 до 0,9.

На фиг. 1 схематично изображена структура защитного экрана,

при этом:

1 - мелкодисперсный наполнитель;

2 - связующее из эластичного полимера.

Предлагаемый защитный экран из композиционного материала включает в себя мелкодисперсный наполнитель (1) (железо, медь, цинк, вольфрам и другие металлы с плотностью не менее 6000 кг/м³), равномерно распределенные в связующем из эластичного полимера (2) (например, пропиточные композиции на основе кремнийорганических (силиконовых) или полиуретановых соединений). Массовое содержание порошка в композите должно находиться в диапазоне от 0,4 до 0,9. При массовом содержании порошка в композите менее 0,4 не обеспечивается эффективное дробление ударяющих в экран частиц; при содержании более 0,9 не обеспечиваются стойкость к образованию трещин и эластичность композита, что приводит к ухудшению защитных свойств экрана. Характерный размер частиц порошка должен находиться в диапазоне от 5 до 500 мкм. При характерном размере частиц порошка менее 5 мкм не достигается требуемое контактное давление на ударяющую частицу (ухудшаются защитные свойства экрана); при характерном размере более 500 мкм не обеспечиваются стойкость к образованию трещин и эластичность композита, что приводит к ухудшению защитных свойств экрана.

В структуру композита может быть дополнительно введен армирующий слой (например, ткани на основе стеклянных, лавсановых или органических волокон), обеспечивающий повышение стойкости данного композита к нагрузкам, возникающим на этапах складывания и разворачивания трансформируемой конструкции (раздир, сгибание).

Порошок тяжелого металла в структуре экрана обеспечивает повышенное (по сравнению с прототипом и сплошными экранами из алюминиевых сплавов) контактное давление на ударяющую частицу, что, при одинаковых условиях соударения, более эффективно дробит и разрушает частицу. Мелкодисперсная структура экрана обеспечивает отсутствие крупных осколков при пробивании экрана (по сравнению со сплошными металлическими экранами), а также обеспечивает формирование большего угла разлета мелкодисперсных фрагментов. Использование связующего из эластичного полимера обеспечивает гибкость (без трещинообразования после полимеризации), сопоставимую с тканевыми защитными экранами.

Были проведены испытания на пробой высокоскоростными частицами нескольких плоских фрагментов многослойной трансформируемой гермооболочки (МТГО) трансформируемого космического модуля. В состав МТГО входила противометеороидная защита, состоящая из четырех экранов из арамидной ткани (техническая ткань из высокопрочных волокон) и межэкранных разделителей из вспененного эластичного открытопористого материала. По результатам испытаний был определен наименьший диаметр частицы, обеспечивающий сквозное пробивание МТГО при скоростях соударения около 7 км/с. Замена первого (со стороны удара) противометеороидного экрана из арамидной ткани на эквивалентные по массе пластины из композитов с порошками, например, вольфрама или цинка в полимерной матрице (два варианта заявляемого защитного экрана) позволила достичь отсутствия сквозного пробоя (целостность защищаемой гермооболочки) при тех же условиях.

Защитный экран космического аппарата от ударов техногенных частиц и метеороидов, отличающийся тем, что экран выполнен из композиционного материала, состоящего из мелкодисперсного наполнителя из частиц по крайней мере одного порошка тяжелого металла с плотностью не менее 6000 кг/м³ с характерным размером частиц от 5 до 500 мкм и связующего из эластичного полимера, при этом массовое содержание порошка в композите составляет от 0,4 до 0,9.