Теплофизические и газодинамические проблемы противометеоритной защиты современных космических аппаратов

Полный текст

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 K_eff = 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).

Об авторах

В. В. Ким

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: kim@ficp.ac.ru
Россия, Черноголовка, Московская обл.

С. И. Мартыненко

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук

Email: kim@ficp.ac.ru
Россия, Черноголовка, Московская обл.

А. В. Острик

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук

Email: kim@ficp.ac.ru
Россия, Черноголовка, Московская обл.

И. В. Ломоносов

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук

Email: kim@ficp.ac.ru

член-корреспондент РАН

Россия, Черноголовка, Московская обл.

Список литературы

Дополнительные файлы