Email this article 
Thermophysical and gas dynamics problems of anti-meteorite protection for modern spacecrafts
- Authors: Kim V.V.1, Martynenko S.I.1, Ostrik A.V.1, Lomonosov I.V.1
-
Affiliations:
- Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry, Russian Academy of Sciences
- Issue: Vol 516, No 1 (2024)
- Pages: 23-27
- Section: ФИЗИКА
- URL: https://bakhtiniada.ru/2686-7400/article/view/272083
- DOI: https://doi.org/10.31857/S2686740024030032
- EDN: https://elibrary.ru/KALDPX
- ID: 272083
Cite item
Full Text
Abstract
The results of numerical calculations of the destruction of the protective shields of the spacecraft under the action of a micrometeorite impact are presented. A gas-dynamic numerical simulation of the process of high-speed penetration by micrometeorite of a spaced protective shield of a spacecraft has been carried out, taking into account fragmentation and the formation of a cloud of fragments after passing through the protective shield. In a three-dimensional formulation, the calculated configurations of the cloud of fragments of the impactor and the target for the initial velocities of the impactor up to 10 km/s are obtained. The high efficiency of the used design of a protective screen made of multidirectional corrugated grids as a means of fragmentation and dispersion of the kinetic energy of impact of small high-speed particles, reducing the average pressure pulse on the protected device by two to three orders of magnitude, is shown.
Full Text
В связи с прогрессом в области космических исследований и технологий проблема взаимодействия тел с космическими скоростями становится все более актуальной [1, 2]. В настоящее время в ближнем космосе присутствует множество неисправных спутников и их фрагментов, которые представляют опасность для функционирующих космических аппаратов, особенно пилотируемых. По расчетам Европейского космического агентства, в околоземном пространстве более 29 000 частиц размером 10 см и более. Каждая из них при столкновении гарантированно уничтожит любой космический аппарат или орбитальную станцию. В данный момент эффективных мер защиты от частиц космического мусора размером более 1 см на низких и средних орбитах практически не существует. Комплексное изучение физических процессов, происходящих при высокоскоростном ударе, в перспективе позволит усовершенствовать имеющиеся и создать новые конструктивные средства защиты космических аппаратов [3].
Начиная с середины прошлого века [4] для защиты летательных аппаратов от ударов высокоскоростных конденсированных объектов широкое применение получил метод построения многослойной системы из пространственно-разнесенных защитных экранов, которые обеспечивают поглощение большей части энергии удара вне контура защищаемой конструкции в результате разрушения, дефрагментации, плавления и зачастую испарения высокоскоростного конденсированного ударника. Эта удаленная от охраняемого объекта защита состоит из достаточно тонких чередующихся экранов, жестких (плотных) и мягких. Основная задача жесткого экрана – фрагментация ударника на осколки и их рассеяние и отвод от генеральной оси удара. Мягкие экраны служат для увеличения площади миделевого сечения облака отклоненных осколков и постепенное поглощение их импульса (вплоть до полной остановки) в ходе процессов схлопывания пор, деформации, разрушения и т.п. При этом возникает задача поиска оптимальных характеристик экранов: материалов, толщин, расстояний между ними.
Наибольшие успехи в обеспечении начальной фрагментации ударника были достигнуты при использовании во внешних экранах металлических сеток. Современные варианты сеточных экранов опираются на тот известный факт, что наклонная по отношению к направлению удара сетка более эффективно фрагментирует (работает как “терка”) частицу-ударник [5]. Основная идея состоит в применении двух гофрированных сеток, расположенных взаимно перпендикулярно друг к другу (рис. 1). Также были определены оптимальные параметры сеток [5, 6]: ширина складок (4–6)d, высота (3–5)d, что соответствует углу при вершине гофры около 60°.
Рис. 1. Конфигурация тел для v0 = 10 км/с в моменты времени t = 0 (а), 10 (б), 20 (в) и 30 (г) мкс.
В настоящей работе для моделирования течения многокомпонентной многофазной сжимаемой среды используется авторский численный метод конечно-размерных частиц в ячейках [7]. Метод относится к смешанным лагранжево-эйлеровым методам и успешно использовался для решения задач физики экстремальных состояний, моделирования высокоскоростного пробивания металлических преград [7], космических импактных экспериментов DeepImpact, LСROSS, 99942 APOPHIS, задач по генерации экстремальных состояний в металлах интенсивными ионными и протонными пучками [8]. Для описания поведения материалов метеорита и защитных экранов используются широкодиапазонные уравнения состояния [9, 10].
В трехмерной постановке моделируется высокоскоростной удар пористого хондритного микрометеорита (ρ0 = 2.7 г/см3) по защитному разнесенному экрану. Сферический ударник массой 1 г (соответствует диаметру шара d = 8.85 мм) нормально соударяется с начальной скоростью V0 = 7 км/с и 10 км/с с двухслойной проволочной гофрированной сеткой из алюминия, толщина проволоки 1 мм, угол у вершины гофры α = 60°. Гофры слоев сеток взаимно перпендикулярны друг другу. На расстоянии 2 см от второго слоя сетки расположена алюминиевая пластина-детектор толщиной 2 мм. На рис. 1а показана начальная постановка численного 3D-эксперимента с цветовым выделением областей разных тел.
На рис. 1 показаны расчетные конфигурации взаимодействующих тел при начальной скорости ударника 10 км/с в моменты времени t = 0, 10, 20 и 30 мкс. Из анализа результатов расчета видно, что начиная с момента времени t = 28 мкс начинается взаимодействие частиц осколков ударника и защитной сетки с алюминиевой пластиной-детектором. В ходе процесса сеточная конструкция фрагментирует ударник (на рис. 1 показан синим цветом) на отдельные конгломераты осколков, которые продолжают дробиться и рассеиваться далее. Анализ расчетного поля плотности показал, что головная часть облака осколков состоит преимущественно из низкоплотных частиц алюминия и хондрита с ρ < 2 г/см3. Так, на рис. 2 представлено расчетное 3D-поле плотности в момент времени t = 40 мкс: отдельно для облака низкоплотных осколков с ρ = 0.01–2 г/см3 (рис. 2а) и для диапазона плотностей ρ = 2–3 г/см3 (рис. 2б). Такое распределение плотности в облаке способствует более сглаженной по времени передаче нагрузки на защищаемый объект, чем в случае прямого удара без защитного сеточного экрана.
Рис. 2. Две фракции плотности облака фрагментов: в диапазоне значений плотности ρ = 0.01–2 г/см3 (а) и ρ = 2–3 г/см3 (б).
В качестве интегральной характеристики процесса взаимодействия ударника и элементов экрана рассчитаны нормальные компоненты полного импульса каждого из тел, временные профили которых приведены на рис. 3 для начальной скорости удара 7 км/с. Как видно из рис. 3, взаимодействие (передача импульса) ударника с первой сеткой в основном завершается к моменту t = 1 мкс, при этом ударник фрагментируется и образует облако осколков. Вследствие большей площади взаимодействия эффективность передачи импульса от ударника ко второй сетке более чем в 2 раза выше, чем к первой. Завершается взаимодействие со второй сеткой к моменту времени t = 4 мкс. Заметная передача импульса к пластине-детектору начинается с момента времени после t = 5 мкс. К этому времени облако осколков уже имеет увеличенные размеры и соответственно меньшую плотность, что снижает возможность пробития преграды.
Рис. 3. Динамика передачи перпендикулярной составляющей импульса от ударника к элементам экрана для V = 7 км/с.
Заметная передача импульса мишени от ударника и сеток (от них незначительная часть) к пластине-детектору начинается с момента времени t = 4 мкс (для начальной скорости V = 10 км/с; для варианта с V = 7 км/с начало взаимодействия пластины с облаком соответствует более позднему моменту времени). К этому времени облако уже имеет увеличенные размеры и соответственно меньшую плотность, что снижает возможность пробития преграды.
На рис. 4 показаны конфигурации тыльной стороны пластины-детектора на момент времени t = 6 мкс. Диаметры пятен повреждения пластин-детекторов осколками составляют D = 16 см и D = 42 см соответственно. При этом значения параметра эффективности защиты для V0 = 7 и 10 км/с составляют Keff = 330 и 2060 соответственно.
Рис. 4. Тыльные стороны пластин-детекторов для V = 7 км/с (а) и 10 км/с (б).
Таким образом, использование гофрированных сеточных экранов позволяет снизить средний воздействующий импульс давления, передаваемый защищаемому объекту на два-три порядка.
Благодарности
Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования сверхвысокопроизводительными вычислительными ресурсами МГУ имени М.В. Ломоносова.
Источник финансирования
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 21-72-20023).
About the authors
V. V. Kim
Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry, Russian Academy of Sciences
Author for correspondence.
Email: kim@ficp.ac.ru
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow Region
S. I. Martynenko
Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry, Russian Academy of Sciences
Email: kim@ficp.ac.ru
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow Region
A. V. Ostrik
Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry, Russian Academy of Sciences
Email: kim@ficp.ac.ru
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow Region
I. V. Lomonosov
Federal Research Center of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry, Russian Academy of Sciences
Email: kim@ficp.ac.ru
Corresponding Member of the RAS
Russian Federation, Chernogolovka, Moscow RegionReferences
- Щербаков И.А. Некоторые приоритетные результаты, полученные в области физики в 2019 году (из отчетного доклада академика-секретаря ОФН РАН) // Доклады РАН. Физика, технические науки. 2020. Т. 492. № 1. С. 4–53.
- Смирнов И.В., Петров Ю.В. О временных характеристиках разрушения при высокоскоростных испытаниях // Доклады РАН. Физика, технические науки. 2020. Т. 493. № 1. С. 62–65.
- Агурейкин В.А., Анисимов С.И., Бушман А.В., Канель Г.И., Карягин В.П., Константинов А.Б., Крюков Б.П., Минин В.Ф., Разоренов С.В., Сагдеев Р.З., Сугак С.Г., Фортов В.Е. Теплофизические и газодинамические проблемы противометеоритной защиты космического аппарата “ВЕГА” // ТВТ. 1984. Т. 22. № 5. С. 964–982.
- Whipple F.L. Meteorites and space travel //Astronomical Journal. 1947. No. 1161. P. 131.
- Герасимов А.В., , Экран для защиты космического аппарата от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды // Патент РФ RU 2623782 C1. 2016.
- Добрица Д.Б., Пашков С.В., Моделирование процесса взаимодействии высокоскоростного ударника с трехслойной разнесенной комбинированной преградой // Космические исследования. 2020. Т. 58. № 2. С. 131–137.
- Fortov V.E., Kim V.V., Lomonosov I.V., Matveichev A.V. Ostrik A.V. Numerical modeling of hypervelocity impacts // Int. J. Impact Eng. 2006. V. 33(1–12). P. 244.
- Mintsev V., et.al. Non-Ideal Plasma and Early Experiments at FAIR: HIHEX – Heavy Ion Heating and Expansion // Contrib. Plasma Phys. 2016. V. 56(3-4). P. 281–285. https://doi.org/10.1002/ ctpp.201500105
- Lomonosov I.V. Multi-phase equation of state for aluminum // Laser and Particle Beams. 2007. V. 25. P. 567–584.
- Ломоносов И.В. Уравнения состояния сапфира, кремнезема, периклаза и рутила // ТВТ. 2023. Т. 61. № 3. С.473–476. https://doi.org/10.31857/S004036442303016X
Supplementary files
