Математическое моделирование ударного воздействия метеороидов и осколков космического мусора на защитные конструкции космических аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат наук Юдин, Евгений Юрьевич

• Юдин, Евгений Юрьевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Юдин, Евгений Юрьевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4 ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ОКОЛОЗЕМНОЙ МЕТЕОРОИДНОЙ ОБСТАНОВКИ И ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ

МОДЕЛИРОВАНИЯ УДАРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

1.1. Осколочно-метеороидная обстановка

1.2. Существующие методы расчета и отработки ударной стойкости конструкций КА

1.2.1. Методы численного моделирования 3

1.2.2. Гидродинамический метод сглаженных частиц (ЭРН)

1.3. Применение БРН метода для расчета высокоскоростного соударения тел 41 ГЛАВА 2. ВАЛИДАЦИЯ ЧИСЛЕННЫХ АЛГОРИТМОВ РАСЧЕТА

2.1. Валидация применимости конечно-элементных моделей

2.2. Валидация применимости БРН-метода 60 ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УДАРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПАКТНЫХ ЧАСТИЦ С ЭЛЕМЕНТАМИ ЭКРАННОЙ ЗАЩИТЫ

3.1. Анализ импульсных характеристик при ударном воздействии компактной частицы на тонкие экраны

3.1.1. Постановка задачи

3.1.2. Импульс обратного выброса продуктов разрушения

3.1.3. Импульс в направлении скорости ударника

3.2. Исследование параметров облака вторичных осколков

3.2.1. Постановка задачи

3.2.2. Анализ результатов расчетов

3.3. Моделирование откольных явлений

3.3.1. Столкновение плоских пластин

3.3.2. Откол в защитном экране 104 ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ ЧИСЛЕННОГО АНАЛИЗА К РАСЧЕТУ ПАРАМЕТРОВ УДАРНОЙ СТОЙКОСТИ ЗАЩИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

4.1. Анализ защищенности Служебного модуля

4.1.1. Защитные конструкции Служебного модуля

4.1.2. Уточнение баллистических предельных зависимостей гермооболочки СМ

4.2. Анализ защищенности Многоцелевого лабораторного модуля

4.2.1. Защитные конструкции МЛМ

4.2.2. Уточнение баллистических предельных зависимостей гермооболочки МЛМ

4.3. Численный анализ ударного воздействия на элементы системы самогерметизации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БПЗ - баллистическая предельная зависимость;

ВНП - вероятность непробоя;

КА - космический аппарат;

МБУ - многоцелевая баллистическая установка;

МКС - Международная космическая станция;

МКЭ - метод конечных элементов;

МЛМ - Многоцелевой лабораторный модуль;

НДС - напряженно-деформированное состояние;

ОКМ - осколок космического мусора;

СМ - Служебный модуль;

ФГБ - Функциональный грузовой блок;

ЭЗК - экранная защитная конструкция;

8РН - гидродинамический метод сглаженных частиц.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование ударного воздействия метеороидов и осколков космического мусора на защитные конструкции космических аппаратов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

На ранних этапах освоения околоземного космического пространства проблема столкновений космических аппаратов с метеороидами была второстепенной по сравнению со многими другими опасностями космоса. При этом малая вероятность столкновения с частицами миллиметрового размера убывала на порядки для больших метеороидов. Метеороидная опасность значительно возрастала в периоды прохождения Землёй зон метеоритных потоков (Леониды, Персеиды) и при прохождении космическими аппаратами дальнего зондирования космоса пояса астероидов между Марсом и Юпитером.

Однако, с увеличением человеческой активности в околоземном космосе ситуация изменилась. Отработавшие ступени ракет, вышедшие из строя спутники, в особенности уничтожаемые взрывом отработавшие спутники военного назначения являются техногенным «космическим мусором» и количество его растет с каждым годом. Проблема также усугубляется столкновениями таких объектов между собой, что приводит к возникновению множества осколков. Опасность техногенного засорения околоземной среды усугубляется увеличением количества космических аппаратов и их размеров. Постоянно действующая, Международная космическая станция. (МКС) является наиболее уязвимой мишенью для космического мусора. Крупные (наблюдаемые) объекты систематизированы в специальных каталогах и для защиты МКС от столкновения с ними используется маневр уклонения путем корректировки орбиты. Мелкие (ненаблюдаемые) частицы - осколки космического мусора (ОКМ) также представляют опасность для космических объектов. Защита от них в настоящее время осуществляется путем введения в конструкцию модулей (главным образом гермооболочек) специальных защитных экранов. Проектирование, отработка и подтверждение эффективности экранной защиты - актуальная задача современной (в особенности пилотируемой) космонавтики. Основные сложности ее решения обусловлены двумя причинами: жесткие весовые ограничения и высокие

скорости соударения. Например, осколок массой 10 г, летящий со скоростью 10 км/с обладает такой же кинетической энергией, как артиллерийский снаряд массой 1,5 кг и скоростью 800 м/с. Скорость столкновения с метеороидами и ОКМ варьируется в диапазоне 2-70 км/с. Наиболее вероятные столкновения с осколками космического мусора происходят на скоростях до 15 км/с, при среднем значении 10,3 км/с. На рисунке 1 показана нормированная функция распределения вероятности скорости метеороидов относительно Земли для высоты орбиты 400 км.

Рисунок 1 - Нормированная функция распределения вероятности скорости метеороидов относительно Земли для высоты орбиты 400 км

Защита от ударов с такими скоростями не может базироваться на традиционных принципах бронезащиты, а методы расчета и испытаний требуют привлечения физических моделей и экспериментальной техники, сильно отличающихся от распространенных методов прочностных расчетов и испытаний.

Целью и задачами диссертационной работы являются исследование процесса ударного взаимодействия тел при высоких скоростях для определения характеристик эффективности экранных защитных конструкций и ударной стойкости гермооболочек космических аппаратов при воздействии высокоскоростных метеороидов и техногенных частиц с применением методов численного моделирования.

Автор выносит на защиту:

1. Результаты исследований массовых и импульсных параметров продуктов разрушения (облака вторичных осколков), образующихся при соударении сферической частицы и металлического экрана.

2. Метод расчета импульсной нагрузки от воздействия вторичного облака осколков на защищаемую конструкцию.

3. Результаты численных исследований образования откольных разрушений в стенке гермооболочки при воздействии облака вторичных осколков.

4. Результаты расчетов по уточнению параметров ударной стойкости гермооболочек с экранными защитными конструкциями Служебного и Многоцелевого лабораторного модулей Российского сегмента МКС.

Научная новизна работы состоит:

- в развитии, верификации и валидации метода численного моделирования процессов высокоскоростного удара применительно к отработке и подтверждению эффективности экранной защиты и ударной стойкости конструкций космических аппаратов к ударам метеороидов и частиц космического мусора,

- в анализе массово-импульсных характеристик облака вторичных осколков (продуктов разрушения исходной частицы и мишени) с учетом эффекта обратного выброса материала,

- в обосновании и оценке точности зависимости размера отверстия в пластине при высокоскоростном пробое от скорости удара и соотношения

размеров частицы и толщины пластины, применяемой в инженерных методиках расчета,

- в определении закона распределения удельной импульсной нагрузки на защищаемую конструкцию от воздействия облака вторичных осколков разрушения частицы и экрана.

В первой главе диссертации приведены статистические данные о засорении околоземного космического пространства, дан обзор методов численного моделирования быстропротекающих процессов, позволяющих упростить и оптимизировать исследования в области высокоскоростного столкновения тел.

Достоверно установлено, что основную опасность представляют мелкие частицы, число которых резко увеличивается по мере уменьшения размеров. В настоящее время опасность столкновения крупного космического аппарата с частицами размером ~1 см стала вполне реальной, и ее необходимо учитывать в процессе проектирования и эксплуатации аппаратов. Например, для такого объекта, как Международная космическая станция, вероятность столкновения с частицами размером более 1 см в течение 10 лет составляет несколько процентов. При средней относительной скорости более 10 км/с такое столкновение может привести к катастрофическим последствиям. Вероятность столкновения с течением времени растет.

В настоящее время имеется возможность предсказания опасных сближений космических аппаратов с крупными каталогизированными объектами (более 10 см). Так, например, для предотвращения столкновения МКС с крупными каталогизированными объектами ежегодно проводится несколько уклоняющих маневров. Касательно мелких частиц - разработаны и постоянно обновляются математических распределения, позволяющие рассчитывать вероятность столкновения техногенной частицы или метеоройда с космическим аппаратом.

Применение методов численного анализа играет в настоящее время все более важную роль при отработке прочности изделий ракетно-космической

техники. Это связано с тем, что приближенные аналитические или численные методики зачастую не справляются с описанием поведения конструктивно сложных элементов изделий, так как подразумевают широкий спектр допущений и упрощений. В данный момент существует широкий выбор вычислительных программных пакетов, разработанных специально для проведения прочностных расчетов - это ANSYS, NASTRAN, ABAQUS, LS-DYNA и т.д., позволяющих проводить оценки поведения как сложных элементов, так и конструкций в целом, учитывая основные особенности процессов деформирования. Основными преимуществами таких вычислительных пакетов является глубокая проработка и постоянный выпуск обновлений. Каждый из перечисленных вычислительных комплексов уже включает в себя основные и наиболее часто используемые методы расчета прочностных задач и приложения для визуализации результатов расчетов, кроме того с каждым годом их библиотека пополняется новыми разработками.

Традиционные сеточные вычислительные методы, реализованные в ряде перечисленных выше программных пакетов, не справляются должным образом с задачами высокоскоростного взаимодействия тел и т.д. Расчеты с использованием метода конечных элементов, метода конечных разностей и метода конечных элементов с адаптивным перестроением конечно-элементной сетки достаточно часто прерываются из-за проблем, связанных с сильным искажением расчетной сетки. Альтернативным подходом является использование бессеточных методов, в частности, гидродинамического метода сглаженных частиц - smoothed particle hydrodynamics (SPH), не использующего расчетную сетку, в гораздо большей степени подходящего для решения подобного рода задач. Успешное применении SPH - метода к решению задач, связанных с моделированием взрывных процессов, высокоскоростного взаимодействия и проникновения тел стало определяющим фактором для выбора альтернативного вычислительного метода. В рамках данной работы используется SPH - метод, реализованный в программном пакете ANSYS/Autodyn.

В главе 2 проводиться исследование применимости численных методов моделирования к описанию ударного воздействия компактных частиц на экранные защитные конструкции.

Первоочередной задачей является валидация применяемой модели высокоскоростного ударного воздействия. Определение характеристик стойкости стенок корпусов гермоотсеков долговременных орбитальных систем к ударному воздействию ОКМ и метеороидов требует экспериментального и расчетного моделирования условий взаимодействия потока частиц со станцией.

В данном разделе представлено решение задачи низкоскоростного ударного воздействия метеороидов и ОКМ на лицевой экран защитных конструкций космических аппаратов средствами конечно-элементного вычислительно комплекса 81МТЛЛА АВАСШЗ.

Рассмотрена перфорация тонкого лицевого экрана защитной конструкции гермоотсека компактной частицей на скорости порядка нескольких километров в секунду. Типичный экран, используемый для численных и натурных экспериментов, представляет собой монолитный лист из алюминиевого сплава АМг-6 толщиной 2 мм. ОКМ моделируется нормированной сферической частицей с диаметром от 5 до 10 мм. Частица так же подразумевается алюминиевой, так как большая часть ОКМ является осколками ступеней летательных аппаратов, а так же фрагментами спутников, отработавших свой срок.

Определено, что данный подход не позволяет отслеживать параметры облака вторичных осколков, образующихся при прохождении ударником преграды, таким образом невозможно оценить воздействие продуктов разрушения лицевого экрана и частицы на последующие элементы защитной конструкции.

Как следствие, метод конечных элементов не позволяет с необходимой степенью точности отслеживать процесс разрушения сложных конструкций при высокоскоростном ударном нагружении.

Так же проведено несколько серий экспериментов с применением БРН метода, реализованного в вычислительном программном комплексе АЫЗУЗ/Аг^оёуп. Рассматривается двумерная осесимметричная модель. Моделируется воздействие по нормали к поверхности лицевого экрана.

В первой серии экспериментов рассматривалось воздействие компактной частицы на «тонкие» экраны. Скорость частицы изменяется от 3 до 9 км/с.

Во второй серии экспериментов рассматривалось воздействие компактной частицы на «толстые» экраны. Скорость частицы 2,38 и 2,8 км/с.

В третьей серии экспериментов моделировалось воздействие компактной частицы в средне- и высокоскоростном диапазонах воздействия на одноэкранные защитные конструкции.

Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными показали достаточно точное как качественное, так и количественное совпадение.

В главе 3 диссертации представлены исследования массовых и импульсных характеристик продуктов разрушения, возникающих при столкновении частицы и тонкого экрана, так же проводится численный анализ откольных явления, возникающих в конструкциях при высокоинтенсивном нагружении.

Современные методы мониторинга быстропротекающих процессов не позволяют получить необходимой информации при проведении натурных экспериментов, например, импульсные характеристики облака вторичных осколков, образующегося после пробития преграды ударником. Экспериментально подтверждено, что при высокоскоростном соударении тел происходит «выплеск» материала в направлении противоположном вектору скорости ударника. Аналогичный эффект легко наблюдать при падении камня в воду. Применяемая в данный момент инженерная методика не учитывает параметров обратного выброса, таким образом, требуется уточнение параметров импульсного воздействия на элементы многоэкранных ЭЗК. В данном разделе речь пойдет об анализе импульсных и массовых параметров

облака вторичных осколков и материала, получившего импульс в обратном направлении, при соударении ударника и тонкой пластины, имитирующей лицевой экран ЭЗК. Анализ проводится посредством проведения численных расчетов БРН методом, реализованном в программном комплексе АКБУЗ/АиЫуп.

Принцип действия экрана состоит в том, чтобы разрушить частицу, превратив ее из компактного образования в облако продуктов разрушения (вторичных частиц) и тем самым "размазать" импульс первичной частицы на как можно большую площадь поверхности защищаемой конструкции, например гермооболочки. На начальном этапе соударения частицы с экраном их материалы испытывают большие деформации объемного сжатия. На последующей стадии разгрузки энергия сжатия частично переходит в кинетическую энергию разлета продуктов разрушения относительно движущегося центра массы облака вторичных частиц. В результате в заэкранном пространстве формируется расширяющееся коническое облако продуктов разрушения частицы и экрана, воздействие которого на защищаемую конструкцию существенно менее опасно, чем удар первичной частицы. Особый интерес представляет распределение импульса в осколочном облаке. В данном разделе предложен метод определения распределения импульса в облаке вторичных осколков, образующегося при пробитии «тонкого» экрана компактной частицей в средне- и высокоскоростном диапазонах.

Откольные явления часто встречаются в процесса, связанных с высокоинтенсивным нагружением, например, при ударном или взрывном воздействии. Рассматривая процесс ударного воздействия на экранную защитную конструкцию откол зачастую происходит при воздействии облака вторичных осколков на защищаемую стенку. Это связано с тем, что при взаимодействии облака в экране образуется практически плоская ударная волна, отражаясь от задней свободной поверхности экрана, ударная волна сжатия превращается в волну растяжения, и при достижении критического значения растягивающего давления происходит разрушение материала экрана.

Этот эффект может проявляться как в виде внутренней трещины, при этом целостность экрана сохраняется, так и в виде отделения части материала от защитного экрана. В обоих случаях сквозного пробоя не наблюдается, но данное явление, помимо разупрочнения гермооболочки КА может вызвать повреждение оборудования и физические увечья экипажа (скорость отколовшихся элементов достигает нескольких сот метров в секунду). В данный момент Космические агентства разных стран не пришли к общему мнению считать защитную конструкцию с образовавшимся отколом разрушенной или нет, но, несмотря на это, явление откола, безусловно, необходимо учитывать при оценке стойкостных параметров ЭЗК к ударному воздействию. В данном разделе представлены расчетные исследования по определению откольных явлений при ударном воздействии.

В главе 4 представлены материалы по практическому применению SPH метода к расчету защитных конструкций PC МКС.

Для уточнения БПЗ стенок гермооболочки СМ и МЛМ были проведены систематические расчеты с использование вычислительного программного комплекса ANSYS/Autodyn. Применялся бессеточный SPH - метод.

Из анализа проведенных расчетов и полученных результатов можно сделать вывод о высокой эффективности применения вычислительного программного комплекса ANSYS/Autodyn с использованием бессеточного SPH - метода для проведения контрольных и уточняющих расчетов БПЗ. Кроме того, следует отметить достаточно хорошее согласование результатов расчетов БПЗ, полученных по инженерной методике, как с данными расчетов по SPH -методу, так и с аппроксимирующими зависимостями, полученными по методике NASA.

Так же, в разделе проведены исследования разрушений элементов активной системы самогерметизации при высокоскоростном ударе. Проведены специальные серии сравнительных расчетов элементов опытных образцов без заполнения и с заполнением носителей жидкими реагентами. Результаты

расчетов показали малую эффективность схем с заполнением реагентами из-за образования гидроудара.

Практическое значение работы.

1. Результаты исследований массово-импульсных параметров облака вторичных осколков, метод расчета импульсной нагрузки от воздействия вторичного облака осколков на защищаемую конструкцию, процессов образования откольных разрушений использованы при уточнении инженерных методик расчета баллистических предельных зависимостей гермооболочек модулей PC МКС, применяемых в процессе отработки экранной защиты космических аппаратов.

2. Уточненные баллистические предельные зависимости гермооболочек с экранной защитой Многоцелевого лабораторного модуля и Служебного модуля использованы для уточнения характеристик защищенности модулей PC МКС.

3. Результаты работ применяются в ОАО "РКК Энергия" им. С.П. Королева и ФГУП ЦНИИмаш.

Апробация работы

Результаты проведенных исследований апробированы в процессе работ по обеспечению защиты PC МКС от микрометеороидов и космического мусора.

Основные положения работы докладывались на отраслевой научно-технической конференции «Молодежь в ракетно-космической отрасли» (ЦНИИмаш, сентябрь 2009 г.), на 52-ой научной конференции МФТИ (МФТИ, ноябрь 2009 г.), на семинаре «Проблемы математического моделирования при создании и эксплуатации ракетно-космической техники» (ИКИ-РАН, декабрь 2009 г.), на научной конференции, посвященной 90-летию Ю.А. Мозжорина (ЦНИИмаш, ноябрь 2010 г.), на 53-ей научной конференции МФТИ (МФТИ, ноябрь 2010 г.), на 29-ом заседании межагентского координационного комитета по проблемам космического мусора (Берлин, аперль 2011), на научных чтениях, посвященных 100-летию со дня рождения М.К. Янгеля (ЦНИИмаш, октябрь 2011 г.), на 10-ой международной конференции «Авиация и космонавтика -

2011» (МАИ, ноябрь 2011 г.), на конкурсе молодых ученых на премию С.П. Королева (Администрация г. Королев МО, декабрь 2011 г.)

Личный вклад автора заключается в верификации и валидации метода численного моделирования соударения частиц космического мусора и метеброидов с защитными конструкциями космических аппаратов, в исследовании закономерностей изменения массово-импульсных характеристик высокоскоростной частицы и продуктов разрушения защитных экранов в процессе образования облака вторичных осколков и его воздействия на защищаемую конструкцию, в уточнении инженерных методик, применяемых при проектировании и отработке экранных защитных конструкций, в уточнении баллистических предельных зависимостей гермооболочек с экранной защитой Многоцелевого лабораторного модуля и Служебного модуля МКС.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 2 - в журналах перечня ВАК.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 42 наименования. Она изложена на 149 страницах, содержит 71 рисунок и 22 таблицы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ОКОЛОЗЕМНОЙ МЕТЕОРОИДНОЙ ОБСТАНОВКИ И ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ УДАРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

1.1 Осколочно-метеороидная обстановка.

Долгое время орбитальные осколки космического мусора не считались серьезной угрозой для космических аппаратов, например, для типичного оборонного спутника на полярной орбите высотой 950 км с поверхностью S = 40 м2 удар осколком не менее 10 мм ожидался один раз в 500 лет, а для МКС (S «104 м2) на орбите 400 км с наклонением 51,6° - раз в 95 лет. Правда были известны три случая разрушения KA (1961-15С, 1965-20Д и 1965-82В) на долговременных орбитах, а также кратеры от высокоскоростных ударов мелких частиц на иллюминаторах Skylab Apollo Command модулей в 1974 году.

В 1983 году экипаж печально знаменитого шаттла Challenger обнаружил на лобовом стекле своего корабля небольшой след от соударения с посторонним предметом (рисунок 1.1). Кратер был всего 2,5 мм в глубину и столько же в ширину, но заставил сильно поволноваться инженеров NASA. После приземления корабля специалисты тщательно осмотрели повреждения и пришли к выводу, что причиной соударения стала микрочастичка краски, отслоившаяся от какого-то другого космического аппарата.

Экспедиция "Шаттла" 1984 года (STS-41C) вернула на Землю элементы спутника «максимального Солнца» (SMS), бывшего более 4-х лет на околоземной орбите, осмотром 3 м поверхности которых было обнаружено около 1600 серьезных для конструкции ударов. На 1 м2 поверхности, снятой со спутника PALAPA-B2 после 9 месяцев в космосе, обнаружены были 50 отверстий в теплоизоляции и 8 ударов в элементы солнечной батареи. После полетов 80-х годов на самих "Шаттлах" обнаруживались следы кратеров высокоскоростных ударов, достаточно серьезные для проведения ремонта. В

полете июня 1983 года 8Т8-7 орбитальный кусок краски повредил иллюминатор.

Рисунок 1.1- Повреждения иллюминатора челнока

Послеполетный осмотр (1984 г.) "Орбитера" выявил несколько тысяч ударных кратеров. Более 200 ударов по иллюминаторам (максимальный кратер имел диаметр 12 мм) вынудили заменить более 50 из них. Максимальные удары обнаружились на выступе люка полезного груза (17 мм) и на композитной углерод - углеродной панели передней кромки крыла (48 мм).

После возврата в 1990 году со спутника длительной выдержки (ЬОЕБ),

о

развернутого экспедицией "Шаттла" 8ТБ - 41 в 1984 году, 130 м специально подготовленной к поверхности на ней было обнаружено более 35 тысяч ударов больших 0,5 мм, в том числе значительный процент ударов сзади (относительно направления движения), в основном алюминиевыми частицами, а также оксидными (А1203) и Ка/Калиевыми.

Послеполетный осмотр 20 м" поверхности первого японского спутника многоразового использования (с ИК - телескопом и размерами 0 4,5 м, И = 3 м) типа ББи, запущенного на круговую орбиту (Н = 480 км, а = 28,5°) 18.03.95

16

года ракетой Н - II и снятого 13.01.96 г. экспедицией "Шаттла" 8ТБ-72, обнаружил в многослойной термоизоляции и подстилающей зеркальной поверхности 517 кратеров не менее 0,2 мм диаметром, а также зону максимальных повреждений 0 13,4 мм с кратером 0 2,5 мм [1].

S114E52S5

Рисунок 1.2 - Полная картина ударных кратеров на переднем конусе модуля US Lab ISS (по данным экспедиций STS-112, 114, 117, 121)

Начиная с 1992 года, в космическом центре Джонсона стали проводиться подробнейшие послеполетные испытания космических «Шаттлов» на предмет повреждений от метеоритов и осколков космического мусора [2]. Опасности от подобных ударов, в первую очередь, подвергаются радиаторы, иллюминаторы, грузовой отсек и армированные углеродные панели на кромках крыльев. Остальная поверхность «Шаттла» покрыта керамическими плитками

Л

теплозащиты. Площадь иллюминаторов составляет 3,4 м и минимальный размер регистрируемых повреждений составляет 0,05 мм, для 117 м2 поверхности радиаторов и 50 м2 мягкой изоляции грузового отсека

минимальный размер повреждений составляет 1,0 мм, а для 41 м2 армированных панелей - 0,75 мм.

В послеполетных исследованиях повреждений от ударов метеоритов и осколков космического мусора производилось изъятие части поверхности содержащей повреждение. Для определения материала, из которого состоял пробойник, образцы подвергали исследованиям с использованием средств электронной микроскопии. Результаты послеполетных исследований миссий «Шаттлов» с STS50 по STS103 приведены в таблице 1.1.

Стимулированные проектами долговременных орбитальных станций и начатые в 1992 г. NASA и Минобороны США наблюдения во многом прояснили обстановку с ОКМ на околоземных орбитах (разрешение системы Haystack Radar более 10 мм). В настоящее время сеть космического мониторинга (Space Surveillance Network) космического командования США US Space СОМ) ведет непрерывные радарные и электронно-оптические наблюдения в пространстве между околоземными (Н < 1000 км, порог разрешения - 10 см) и геостационарными (H ~ 35000 км, порог - 100 см) орбитами, Объекты космического мусора представляют собой отделившиеся верхние ступени ракет, отработавшие спутники и только около 6 % (действующих объектов, так что более половины наблюдаемых "крупных" объектов (наряду с многими ненаблюдаемыми меньше дециметра) возникли в результате множества орбитальных фрагментаций, имевших место с 1961 года, и представлявших собой случайные или преднамеренные взрывы верхних ступеней или спутников (например, при взрыве 03.06.96 г. вспомогательного двигателя весом 97 кг ракеты "Пегас" наблюдались 700 фрагментов). Программа исследований NASA (бортовой мониторинг; радарные системы FPS - 85 и FPQ - 16 высокого разрешения; радиотелескопы Goldstone и Arecibo; телескопы LMT, CCD, HAR, GEODSS; обследование поверхности возвращаемых КА) значительно расширила количество наблюдаемых ОКМ [3].

Таблица 1.1 - Наиболее значительные повреждения «Шаттлов» от

высокоскоростных ударов метеоритов и осколков космического мусора (ОКМ)

Номер миссии Дата запуска Длит-сть миссии, суток Место повреждения Диаметр пов-ния, мм Материал ударника Примерный диаметр ударника, мм

STS50 25.06.92 13,8 Иллюминатор №4 3,3 ОКМ, металл, титан 0,2

STS50 25.06.92 13,8 Радиатор 3,8 ОКМ, краска 0,5

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Юдин, Евгений Юрьевич, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Jonson N. 1-st Natural Collision of Catalogued Earth Satellites, Orbital Debris Quart. News, NASA JSC, V.l, Issue 2, 1996, p.p. 13-25

2. Bernhard R.P., Christiansen E.I., Kerr J.H. Space Shuttle meteoroid and orbital debris impact damage. International Journal of Impact Engineering, V26, 2001, p.p. 33-38

3. Sato Т., et.al. MU Radar Measurements of Orbital Debris. Journal of Spacecraft and Rockets. V28, N6, 1991. p.p. 639-646

4. Johnson N. L. The Orbital Debris Environment for the Orbit of the International Space Station. National Aeronautics and Space Administration, 20 October 2009

5. IADC-WD-00-03. Protection manual. Version 4.0, Revision 8, March 12,

2010

6. Kessler D.J. Collisional Cascading: The Limits of Population Growth in Low Earth Orbit. Advances in Space Research. VI1, Issue 12, 1991, p.p. 63-66

7. Спецификация SSP 41163 на модули российского сегмента МКС

8. Whipple F.L. Meteorites and Space Travel, Astronomical Journal, V52, 1947, p.131

9. Zhao H. Z. Water mitigation effects on the detonation in a confined chamber, proceedings of HPC Asia'98 3rd High performance Computing Asia Conference, VI, 1998, p.p. 808-811, Singapore

10. Hans U Mair, Review: hydrocodes for structure response to underwater explosions, Shock and Vibration, V6(2), 1999, p.p. 81-96

11. Benson D. J. Computational methods in Lagrangian and Eulerian hydrocodes, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, V99, 1992, p.p. 235-394

12. Abaqus Analysis User's Manual (2009), version 6.9.

13. MSC/Dytran User's manual, version 4: The MacNeal-Schwndler Corporation, USA, 1997

14. Hallquist J. Q. DYNA3D User's manual (nonlinear dynamic analysis of solids in three dimensions). Lawrence Livermore National Laboratory, UCID-19592, 1986

15. Hallquist J. O. LS-DYNA THEORETICAL MANUAL. Livermore Software Technology Corporation, 2876 Waverley Way, Livermore, California 94550-1740, 1998

16. Century Dynamics Incorporated AUTODYN Release Notes Version 3.1, AUTODYN™ Interactive Non-Linear Dynamic Analysis Software, 1997

17. Hirt C. W., Amsden A. A. and Cook J. L. An arbitrary Lagrangian-Eulerian computing method for all flow speeds, Journal of Computational Physics, V14, 1974, p.p. 227-253

18. Lam, K Y, Liu G. R. and T H Lim, Applications of arbitrary-lagrangian-eulerian (ALE) techniques for shock response of vehicle and related problems. In Proceedings of the DTG Technology Seminar Series 96: Land Platform Technology, 8 November 1996, Singapore, p.p. 56-67

19. Gingold R. A. and Monaghan J. J. Smoothed Particle Hydrodynamics: Theory and Application to Non-spherical stars, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, VI81,1977, p.p. 375-389

20. Libersky L. D. and Petscheck A. G. Smoothed particle hydrodynamics with strength of materials, in H. Trease, J. Fritts and W. Crowley (ed.): Proceedings of The Next Free Lagrange Conference, Springer-Verlag, NY, V395, 1991, p.p. 248-257

21. Libersky L. D., Petscheck A. G, Carney T. C, Hipp J. R. and Allahdadi F. A. High strain Lagrangian hydrodynamics-a three-dimensional SPH code for dynamic material response, Journal of Computational Physics, VI09, 1993, p.p. 67-75

23. Randies P. W. and Libersky L. D. Smoothed particle hydrodynamics some recent improvements and applications, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, V138, 1996, p.p. 375-408

24. Randies P. W. Carney Т. C, Libersky L. D., Renick J. R. and Petschek A. G. Calculation of oblique impact and fracture of tungsten cubes using smoothed particle hydrodynamics, International Journal of Impact Engineering, VI7, 1995, pp. 661-672

25. Randies P. W. et al. SPH simulation of fragmentation in the MK82 bomb, Proceedings of APS Topical Conference on Shock Compression of Condensed Matter, Seattle, WA, 1995, pp. 331-334

26. Zukas J. A. High velocity impact, John Wiley & Sons, New York, 1990, pp. 8-42

27. Swegle J. W., Hicks D. L. and Attaway S. W. Smoothed particle hydrodynamics stability analysis, Journal of Computational Physics, VI 16(1), 1995, p.p. 123-134

28. Morris J. P. Analysis of smoothed particle hydrodynamics with applications, Ph. D. thesis, Monash University, 1996

29. Monaghan J. J. SPH without a tensile instability, Journal of Computational Physics, V159, 2000, p.p. 290-311

30. Dyka С. T. and Ingel R. P. An approach for tension instability in smoothed particle hydrodynamics (SPH), Computers & Structures, V57, 1995, p.p. 573-580

31. Randies P. W., and Libersky L. D. Normalized SPH with stress points, International Journal for Numerical Methods in Engineering, V47, 2000, p.p. 14451462

32. Maiden C.J. and McMillan A.R. An Investigation of the Protection Afforded a Spacecraft by Thin Shield. - AIAA, V2(l 1), 1964, pp. 1992-1998

33. Abaqus Example Problems Manual, 2008.

34. Буслов Е.П., Юдин Е.Ю. Расчетно-экспериментальное исследование

повреждения защитных экранов космических аппаратов при ударах

148

выскоскоростных частиц, Космонавтика и ракетостроение, №1 (66), 2012, с.

35. Penetration mechanics and post-perforation effects in an aluminum-aluminum impact system, Naval weapon center, NWC TP 4414, 1967, pp. 2-6

36. Зинченко JI.B. Инженерная методика определения баллистических предельных зависимостей применительно к двуэкранной защите элементов космического аппарата от осколочно-метеорного воздействия, Космонавтика и ракетостроение, № 4(33), 2003, с. 133-150

37. Высокоскоростные ударные явления. Под редакцией Р. Кинслоу. М.: Мир, 1973, с. 536

38. ТО Уточнение инженерной методики расчета баллистических предельных зависимостей по результатам экспериментов, ЦНИИмаш, МНТЦ, РКК «Энергия», №11-2004-2128-4-4.2, по проекту МНЩ № 2128, 2004, с. 10-15

39. Юдин Е.Ю. Численное моделирование распространения плоских ударных волн в конденсированных средах, Труды 52-ой научной конференции МФТИ Часть III Том 1, 2009, с. 127-129

40. Горбенко A.B., Зинченко Л.В., Паничкин Н.Г., Фельдштейн В.А. Защита служебного модуля МКС от метеорных и техногенных частиц, Космонавтика и ракетостроение, №18,2000, с. 158-165

41. Перечень данных по результатам отработки и сертификационных испытаний макетов экранной защиты конструкций СМ МКС на воздействие моделей осколков космического мусора. Приложение к сертификату прочности 01.05.5557.03.20001 ЦНИИмаш

42. Абашкин Б.И., Буслов Е.П., Власов Ф.Ю., и др., Активная защита космического аппарата от воздействия микрометеороидов и осколков «космического мусора» на основе применения систем самогерметизации, Тезисы докладов научных чтений, посвященных 90-летию со дня рождения Ю.А. Мозжорина, ЦНИИмаш, 2010, с 120-121

82-92