Space vehicle protection from mancausedand natural debris: experiment and numerical simulation.pdf Интенсивное освоение человечеством околоземного космического простран-ства имеет кроме несомненных достоинств и свои теневые стороны. Присутствиев сформировавшемся приземном слое (протяженностью от 300 до 2000 километ-ров) огромного количества техногенных осколков различных размеров, образо-вавшихся в процессе разрушения спутников, последних ступеней ракет-носи-телей, разгонных блоков и других аппаратов и устройств, представляет серьезнуюугрозу безопасности автоматических и пилотируемых космических объектов. Уг-розу представляют также и метеорные частицы естественного происхождения,приходящие из дальнего космоса. Значительное время полета космических аппа-ратов повышает для них вероятность столкновения с осколками. В работе [1] ещев 1947 г. был предложен способ защиты космических аппаратов от удара высоко-скоростных космических частиц, заключающийся в том, что перед защищаемойстенкой устанавливается тонкостенный экран для распределения импульса фраг-ментов ударника по большей площади стенки за счет разрушения ударника и по-следующего бокового разлета его фрагментов. Таким образом удается достичьнеобходимой степени защиты в заданном диапазоне скоростей соударения без не-приемлемого увеличения массы космического аппарата. Следует отметить, чтопроблема снижения массы защитных элементов КА при сохранении их эффектив-ности по-прежнему остается актуальной. Для моделирования соударения высоко-скоростных частиц с образцами защиты использовались в основном легкогазовыепушки, позволяющие разгонять ударники необходимых размеров до скоростейпорядка 8 км/с. Не принижая значения экспериментальных исследований для от-работки защитных устройств, отметим, что проведение массовых испытаний вшироком диапазоне размеров и скоростей ударников, материалов, толщин и кон-струкций защитных экранов требует больших затрат материальных ресурсов. По-этому применение к исследованию данной проблемы современных компьютерови численных методов, позволяющих решать задачи высокоскоростного соударе-ния в трехмерной постановке с учетом фрагментации ударников и защитных эле-ментов конструкции КА, представляется теоретически и практически важной за-дачей. Численное моделирование высокоскоростного взаимодействия твердых телс рассмотренными защитными системами позволяет воспроизвести, с приемле-мыми затратами, характерные особенности физических процессов, протекающихпри столкновении, рассмотреть и выбрать оптимальные схемы экранов.Учет фрагментации материала твердых тел при интенсивных динамическихнагружениях позволяет использовать лагранжев подход к задачам высокоскоро-стного удара для достаточно широкого диапазона скоростей взаимодействия.Этот подход особенно удобен при рассмотрении многоконтактных взаимодейст-вий сталкивающихся тел, особенно при решении трехмерных задач удара. На-чальная гетерогенность структуры реальных материалов, влияющая на характерраспределения физико-механических характеристик материала по объему рас-сматриваемого тела, является важным фактором, определяющим характер разру-шения. Одним из способов учета этого факта является введение в уравнения ме-ханики деформируемого твердого тела случайного распределения начальных от-клонений прочностных свойств от номинального значения, то есть моделирова-ние, таким образом, начальных структурных особенностей материала, а именно:наличие пор, включений, дислокаций и т.д.В данной работе в лагранжевой 3D-постановке рассматривается процесс высо-коскоростного взаимодействия слоистых и разнесенных пластин с высокоскоро-стными осколками.Для описания процессов деформирования и дробления твердых тел использу-ется модель прочного сжимаемого идеально упругопластического тела. Основныесоотношения, описывающие движение этой среды, базируются на законах сохра-нения массы, импульса и энергии и замыкаются соотношениями Прандтля -Рейсса при условии текучести Мизеса [2 − 4]. Уравнение состояния берется вформе Тета и Ми - Грюнайзена [2]. Известно, что пластические деформации, дав-ление и температура оказывают влияние на предел текучести и модуль сдвига,поэтому модель дополнялась соотношениями, апробированными в работе [5].Для расчета упругопластических течений используется методика, реализован-ная на тетраэдрических ячейках и базирующаяся на совместном использованииметода Уилкинса [3, 4] для расчета внутренних точек тела и метода Джонсона[6,7] для расчета контактных взаимодействий. Разбиение трехмерной области натетраэдры происходит последовательно с помощью подпрограмм автоматическо-го построения сетки.В качестве критерия разрушения при интенсивных сдвиговых деформацияхиспользуется достижение эквивалентной пластической деформацией своего пре-дельного значения [2, 8].Начальные неоднородности структуры моделировались распределением пре-дельной эквивалентной пластической деформации по ячейкам расчетной областис помощью модифицированного генератора случайных чисел, выдающего слу-чайную величину, подчиняющуюся выбранному закону распределения. Плотно-сти вероятности случайных величин брались в виде нормального гауссовскогораспределения со средним арифметическим, равным табличному значению иварьируемой дисперсией.Используемые в современных работах по динамическому разрушению конст-рукций и материалов соотношения механики деформируемого твердого тела неучитывают вероятностного фактора в задаче дробления твердых тел, что можетсущественно исказить реальную картину ударного и взрывного разрушения рас-сматриваемых объектов. Последнее особенно проявляется при решении осесим-метричных задач, где все точки по окружной координате рассчитываемого эле-мента исходно равноправны в силу используемых при численном моделированиистандартных уравнений механики сплошных сред. На практике, однако, имеетсяширокий ряд задач, где фрагментация является преимущественно вероятностнымпроцессом, например взрывное разрушение осесимметричных оболочек, где ха-рактер дробления заранее неизвестен, пробитие и разрушение тонких преградударником по нормали к поверхности, так называемое «лепесткование», и т.д.Внесение случайного распределения начальных отклонений прочностных свойствот номинального значения в физико-механические характеристики тела приводитк тому, что в этих случаях процесс разрушения приобретает вероятностный ха-рактер, что более соответствует экспериментальным данным, используемым вданной работе. Наиболее полно идеология и методология вероятностного подхо-да к проблеме разрушения твердых тел приведена в [10].Для исследования процессов высокоскоростного взаимодействия разработан,изготовлен, смонтирован и запущен в эксплуатацию экспериментальный стенд(рис. 1), включающий универсальную станину, на которой может быть установ-лена любая из имеющихся в НИИ ПММ метательных установок (Т-29, ППХ 23/8,ППХ 34/8, ППХ 34/23/8, ГДИ 50/23, ППН 23 и т.д.), и вакуумируемую камеру.Рис 1. Общий вид стенда с ЛГП ППХ34/8Стенд завязан на измерительный комплекс (ИК), имеющий 6 измерительныхканалов с разрешающей способностью от 20 нс до 1 с и объемом памяти от 1 до32 К на каждый канал (двухканальные цифровые запоминающие осциллографыС9-8, GWINSTEK GDS-806C и PCSU1000). Все осциллографы связаны с ПЭВМ,что позволяет проводить первичную обработку экспериментальной информации иее архивирование. Стенд позволяет вести разнообразные исследования процессоввысокоскоростного соударения при скоростях до 8 км/с и выше. Уникальностьстенда состоит в том, что станина для метательной установки и вакуумируемаякамера смонтированы на единой подвесной платформе. Это позволяет исключитьнегативное влияние выстрела на фундамент здания. При проведении эксперимен-тов использовались пороховые пушки калибром 5,6 и 8 мм, легкогазовая пушка с«тяжелым поршнем» МПХ23/8 калибром 8 мм (возможно использование стволакалибром 5,6 мм). Основу стенда составляет «классическая» легкогазовая пушка с«легким поршнем» ППХ34/8, которая включает следующие основные узлы и де-тали: пороховую камеру, камеру сжатия (поршневой ствол), конический переход-ник и баллистический ствол. В наших экспериментах необходимо было отделятьподдон от метаемого элемента, что являлось достаточно сложной проблемой. Бы-ла разработана и реализована схема «си-лового» разделения поддона и ударника(рис. 2). Для этого на оси выстрела задатчиком дульной скорости устанавли-вается многослойная преграда с отвер-стием, в 1,5 - 2 раза превышающим диа-метр ударника. Исследовалось несколь-ко вариантов многослойной преграды:1) основание - пластина из дюралюми-ния Д16 толщиной 30 мм, стальная пла-стина толщиной 8 мм, резина толщиной6 мм, свинец толщиной 6 мм; 2) сверхудобавлена стальная пластина толщиной 6 мм. Эксперименты показали, что второйвариант является более приемлемым. Причем при скоростях свыше 2 км/с толщи-ну стальной верхней пластины необходимо увеличить до 10 мм. Пластина-основание жесткоДля обеспечения измерения дульной скорости метаемой сборки электромаг-нитными датчиками использовались различные конструкции поддонов и крепле-ния на них ферромагнитных маркеров. При использовании поддонов из поликар-боната калибром 5,6 мм к ним приклеивались шайбы из трансформаторного желе-за толщиной 0,2 мм, что обеспечивало уверенное измерение дульной скоростисвыше 2 км/с. Однако при «силовом» разделении поддона и ударника осколкишайбы проникают в отверстие преграды и их воздействие на исследуемый обра-зец может превышать воздействие ударника. Кроме этого, поликарбонат затекаетв отверстие большим фрагментом и также повреждает исследуемый образец. По-этому в дальнейших экспериментах использовались поддоны из текстолита сред-ней прочности. Такой выбор обусловлен тем, что при ударе текстолит рассыпает-ся на мелкие фрагменты, и их воздействие на образец существенно меньше воз-действия ударника. В качестве маркера вначале использовался слой ферритовогопорошка, наклеенного на тыльный торец поддона. Однако при увеличении скоро-сти метания (повышении давления на поддон) ферритовый маркер стал разру-шаться. После этого ферритовый порошок вклеивался в проточку на боковой по-верхности поддона. При увеличении дульной скорости свыше 3 км/с сигнал отэтого маркера не обеспечивал уверенного измерения дульной скорости, что по-требовало изменения конструкции поддона и маркера. Для экспериментов со ско-ростями 3 - 4 км/с на переднем торце поддона делалась проточка и в нее вклеива-лась шайба из трансформаторного железа толщиной 0,2 мм с внутренним диамет-ром 6,5 мм и наружным - 7,5 мм. Такой маркер позволяет уверенно фиксироватьдульную скорость в этом диапазоне.В экспериментах и при численноммоделировании рассматривался образец,представляющий собой реальный фраг-мент бака астрофизического спутника«Спектр-УФ» с установленной противо-метеорной защитой. Эксперименты про-водились с алюминиевыми шарикамидиаметром 1,5 - 2,5 мм при скоростях со-ударения 2,03 - 3,95 км/с. Защитная пла-стина имела толщину 1,7 мм, стенка бака- 1,9 мм, расстояние между ними - 38 мм.Оба элемента образца - алюминиевые.При взаимодействии алюминиевых ша-риков с образцом защита во всех случаяхбыла пробита, но стенка бака оказываласьне пробитой, хотя оставались вмятиныразмером от 0,3 до 0,6 мм. Это показыва-ет эффективность защиты при заданныхразмерах частиц и в данном диапазонескоростей. Данные параметры выбира-лись из имеющихся оценок вероятностисоударения с космическим мусором.На рис. 6 и 7 показаны лицевая итыльная стороны образца бака с защит-ной пластиной.Рис. 6. Лицевая сторона образца бакас защитной пластинойРис. 7. Тыльная сторона образца бакас защитной пластинойОтверстие на рис. 7 в верхнем правом углу получилось при соударении состальным шариком диаметром 1,5 мм и скорости 2,11 км/с.На рис. 8 приведены результаты сравнения экспериментальных данных и ре-зультатов численного расчета с учетом дробления материала ударника и преграды.Корпус - защита: Al - Al. Параметры системы: толщина пластин - 0,17 и 0,19 см;размер пластин 1,25 . 1,25 см; расстояние между пластинами - 3,8 см. Стальнойударник-шарик: радиус - 0,1 см, скорость - 2100 м/с.а бРис. 8 Соударение высокоскоростной частицы с элементами защиты и корпуса КА:а - эксперимент; б - пространственная картина соударенияСравнение результатов теоретического расчета и эксперимента показали, чтов обоих случаях пробита защитная пластина и сформировался осколочный поток.Взаимодействие этого потока с элементом корпуса КА привело к образованиювмятины: 0,4 мм - эксперимент, 0,37 мм - расчет. После тестирования предло-женной численной методики при низких скоростях соударения были проведенырасчеты при более значительных скоростях взаимодействия ударников и преград.На рис. 9 приведены результаты расчетов удара стального шарика диаметром1,0 см со скоростью V = 7000 м/с по нормали к преграде, представляющей собойсистему трех разнесенных алюминиевых пластин толщиной 0,3 см и размером5 . 5 см. Расстояние между пластинами равняется 2 см. Показаны конфигурациисистемы преграда + ударник для двух моментов времени - 5,2 и 11,6 мкс.К моменту времени 11,6 мкс полностью пробитыми оказались все три прегра-ды. Скорость остатков стального шарика и первых трех преград еще достаточновелика ~ 4350 м/с. Картина разрушения преград и ударника характеризуется на-личием осколков различных размеров с преобладанием самой мелкой фракции,что характерно для высокоскоростных соударений [9].На рис. 9 отчетливо видно, что процесс деформирования и разрушения принормальном ударе существенно трехмерный, несмотря на начальный осесиммет-ричный характер нагружения преграды и ударника.абРис. 9. Нормальное соударение стального шарика с разнесенной преградой,состоящей из трех алюминиевых пластин: а - 5,2 мкс; б - 11,6 мксНа рис. 10 приведены результаты расчетов удара стального шарика диаметром1,0 см со скоростью V=7000 м/с по нормали к преграде, представляющей собойсистему пяти разнесенных стальных пластин толщиной 0,3 см и размером 5 . 5 см.Расстояние между пластинами равняется 2 см. Показаны конфигурации системыпреграда + ударник для двух моментов времени - 30 и 74 мкс.Рис. 10. Нормальное соударение стального шарика с разнесенной преградой,состоящей из пяти стальных пластин: а - 30 мкс; б - 74 мксК моменту времени 74 мкс полностью пробитыми оказались три первых пре-грады. Скорость остатков стального шарика и первых трех преград в ходе соуда-рения их потока с четвертой преградой упала до нуля, преграда была деформиро-вана, но не пробита. Картина разрушения преград и ударника характеризуется на-личием осколков различных размеров с преобладанием самой мелкой фракции,что характерно для высокоскоростных соударений [9]. Расчет осколкообразова-ния, в полном значении этого слова, стал возможен только при использованииподхода, предложенного в [10]. Подходы к разрушению, используемые в двумер-ных расчетах, дают систему колец, а не отдельные осколки, а неучет вероятност-ного характера распределения прочностных свойств материала конструкции при-водит к полному разделению этих колец на отдельные ячейки в трехмерном слу-чае. На рис. 10 отчетливо видно, что процесс деформирования и разрушения принормальном ударе существенно трехмерный, несмотря на начальный осесиммет-ричный характер нагружения преграды и ударника.Следует отметить, что полученные результаты показывают возможность пред-ложенного вероятностного подхода и лагранжевой численной методики в наибо-лее полной, с физической точки зрения, трехмерной постановке воспроизводитьпроцессы пробития многослойных и разнесенных преград высокоскоростнымиэлементами разрушенных конструкций и осколками космических тел и обосно-вать выбор наиболее эффективных защит космических аппаратов. Эксперимен-тальные результаты подтвердили адекватность предложенной в данной работечисленной методики. Проведенное численное исследование взаимодействия вы-сокоскоростных частиц со слоисто-разнесенными преградами, используемымидля защиты КА, подтвердили эффективность рассмотренных конструкций защит-ных экранов.

Скачать электронную версию публикации