Автореферат (Математическое моделирование ударного воздействия метеороидов и осколков космического мусора на защитные конструкции космических аппаратов)

На правах рукописиЮдин Евгений ЮрьевичМАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УДАРНОГОВОЗДЕЙСТВИЯ МЕТЕОРОИДОВ И ОСКОЛКОВ КОСМИЧЕСКОГОМУСОРА НА ЗАЩИТНЫЕ КОНСТРУКЦИИКОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВСпециальность 01.02.06 – «Динамика, прочность машин, приборов иаппаратуры»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква - 2013Работа выполнена в Федеральном государственномпредприятии«ЦентральныйНаучно-ИсследовательскийМашиностроения» (ФГУП ЦНИИмаш)унитарномИнститутдоктор технических наукФельдштейн Валерий АдольфовичНаучный руководитель:Официальные оппоненты:Шклярчук Федор Николаевичдоктор технических наук, профессор,Институт прикладной механики РАН,главный научный сотрудникОстрик Афанасий Викторовичдоктор технических наук, профессор,Институт проблем химической физики РАН,ведущий научный сотрудникВедущая организация:Открытое акционерное общество«Ракетно-космическая корпорация«Энергия» имени С.П.

Королёва»(г. Королёв, Московской области).Защита состоится 27 ноября 2013 г. в 1500 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.05, созданного на базе Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета), взале заседаний Ученого совета МАИ по адресу: 125993, г. Москва, А-80,ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотекеМосковского авиационного института (национального исследовательскогоуниверситета).Автореферат разослан «25» октября 2013 года.Учёный секретарьдиссертационного советаФедотенков Г.В.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИАктуальность работыНа ранних этапах освоения околоземного космического пространствапроблема столкновений космических аппаратов с метеороидами былавторостепенной по сравнению со многими другими опасностями космоса.Однако, с увеличением человеческой активности в околоземном космосеситуация изменилась.

Отработавшие ступени ракет и вышедшие из строяспутники являются техногенным «космическим мусором» и количество егорастет с каждым годом. Проблема также усугубляется столкновениями такихобъектов между собой. Опасность техногенного засорения околоземной средыусугубляется увеличением количества космических аппаратов и их размеров.Постоянно действующая Международная космическая станция (МКС)является наиболее уязвимой мишенью для космического мусора. Крупныеобъекты систематизированы в специальных каталогах и для защиты МКС отстолкновения с ними используется маневр уклонения путем корректировкиорбиты. Мелкие частицы – осколки космического мусора (ОКМ) такжепредставляют опасность для космических объектов.

Защита от них внастоящее время осуществляется путем введения в конструкцию модулейспециальных защитных экранов. Проектирование, отработка и подтверждениеэффективности экранной защиты – актуальная задача современнойкосмонавтики. Основные сложности ее решения обусловлены двумяпричинами: жесткие весовые ограничения и высокие скорости соударения.Скорость столкновения с метеороидами и ОКМ варьируется в диапазоне 2 – 70км/с. Наиболее опасные столкновения с осколками космического мусорапроисходят на скоростях до 15 км/с, при среднем значении 10,3 км/с.Защита от ударов с такими скоростями не может базироваться напринципах бронезащиты, а методы расчета и испытаний требуют привлеченияфизических моделей и экспериментальной техники, отличающихся отраспространенных методов прочностных расчетов и испытаний.Целью диссертационной работы является исследование процесса ударноговзаимодействия тел при высоких скоростях для определения характеристикэффективности экранных защитных конструкций и ударной стойкостигермооболочек космических аппаратов при воздействии высокоскоростныхметеороидов и техногенных частиц с применением методов численногомоделирования.Автор выносит на защиту:1.

Результаты исследований массовых и импульсных параметров продуктовразрушения (облака вторичных осколков), образующихся при соударениисферической частицы и металлического экрана.2. Метод расчета импульсной нагрузки от воздействия вторичного облакаосколков на защищаемую конструкцию.3. Результаты численных исследований образования откольных разрушений в3стенке гермооболочки при воздействии облака вторичных осколков.4. Результаты расчетов по уточнению параметров ударной стойкостигермооболочек с экранными защитными конструкциями Служебного модуля иМногоцелевого лабораторного модуля Российского сегмента МКС.Научная новизна работы состоит– в развитии, верификации и валидации метода численного моделированияпроцессов высокоскоростного удара применительно к отработке иподтверждению эффективности экранной защиты и ударной стойкостиконструкций космических аппаратов к ударам метеороидов и частицкосмического мусора,– в анализе массово-импульсных характеристик облака вторичных осколков(продуктов разрушения исходной частицы и мишени) с учетом эффектаобратного выброса материала,– в обосновании и оценке точности зависимости размера отверстия в пластинепри высокоскоростном пробое от скорости удара и соотношения размеровчастицы и толщины пластины, применяемой в инженерных методикахрасчета,– в определении закона распределения удельной импульсной нагрузки назащищаемую конструкцию от воздействия облака вторичных осколковразрушения частицы и экрана.Практическое значение работы.1.

Результаты исследований массово-импульсных параметров облакавторичных осколков, метод расчета импульсной нагрузки от воздействиявторичного облака осколков на защищаемую конструкцию, процессовобразования откольных разрушений использованы при уточнении инженерныхметодик расчета баллистических предельных зависимостей гермооболочекмодулей РС МКС, применяемых в процессе отработки экранной защитыкосмических аппаратов.2. Уточненные баллистические предельные зависимости гермооболочек сэкранной защитой Многоцелевого лабораторного модуля и Служебногомодуля использованы для уточнения характеристик защищенности модулейРС МКС.3.

Результаты работ применяются в ОАО “РКК Энергия” им. С.П. Королева иФГУП ЦНИИмаш.Апробация работыРезультаты проведенных исследований апробированы в процессе работ пообеспечению защиты РС МКС от микрометеороидов и космического мусора.Основные положения диссертации докладывались на отраслевойнаучно-технической конференции «Молодежь в ракетно-космическойотрасли» (ЦНИИмаш, сентябрь 2009 г.), на 52-ой научной конференцииМФТИ (МФТИ, ноябрь 2009 г.), на семинаре «Проблемы математическогомоделирования при создании и эксплуатации ракетно-космической техники»4(ИКИ-РАН, декабрь 2009 г.), на научной конференции, посвященной 90-летиюЮ.А. Мозжорина (ЦНИИмаш, ноябрь 2010 г.), на 53-ей научной конференцииМФТИ (МФТИ, ноябрь 2010 г.), на 29-ом заседании межагентскогокоординационного комитета по проблемам космического мусора (Берлин,аперль 2011), на научных чтениях, посвященных 100-летию со дня рожденияМ.К.

Янгеля (ЦНИИмаш, октябрь 2011 г.), на 10-ой международнойконференции «Авиация и космонавтика - 2011» (МАИ, ноябрь 2011 г.), наконкурсе молодых ученых на премию С.П. Королева (Администрация г.Королев МО, декабрь 2011 г.)Личный вклад автора заключается в верификации и валидации методачисленного моделирования соударения частиц космического мусора иметеороидов с защитными конструкциями космических аппаратов, висследованиизакономерностейизменениямассово-импульсныххарактеристик высокоскоростной частицы и продуктов разрушения защитныхэкранов в процессе образования облака вторичных осколков и его воздействияна защищаемую конструкцию, в обосновании точности инженерных методик,применяемых при проектировании и отработке экранных защитныхконструкций, в уточнении баллистических предельных зависимостейгермооболочек с экранной защитой Многоцелевого лабораторного модуля иСлужебного модуля МКС.Публикации.По теме диссертации опубликовано 7 работ, 2 – в журналах перечня ВАК.Объем и структура диссертации.Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и спискаиспользованной литературы из 42 наименования.

Она изложена на 149страницах, содержит 71 рисунок и 22 таблицы.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обоснована актуальность диссертационной работы,сформулированы цели и задачи, аргументирована научная новизнаисследований, показана практическая значимость полученных результатов,описывается современное состояние исследований высокоскоростноговзаимодействия частиц и защитных конструкций, кратко изложеносодержание глав диссертации.В первой главе приведены статистические данные о засоренииоколоземного космического пространства, дан обзор методов численногомоделирования быстропротекающих процессов.В п.1.1 приведены статистические данные о засорении околоземногокосмического пространства.Стимулированные проектами долговременных орбитальных станций иначатые в 1992 г.

NASA и Минобороны США наблюдения во многомпрояснили обстановку с ОКМ на околоземных орбитах. В настоящее время5сеть космического мониторинга космического командования США ведетнепрерывные радарные и электронно-оптические наблюдения в пространствемежду околоземными и геостационарными орбитами. В диапазоне от 1 мкм до10 см были зафиксированы объекты самого разнообразного происхождения, втом числе продукты истечения твердотопливных двигателей; утечка жидкихтеплоносителей орбитальных ядерных реакторов; продукты деградацииповерхностей КА в жестких условиях космической среды.Согласно данным, опубликованным Управлением ООН по вопросамкосмического пространства, в октябре 2009 года "Вокруг Земли вращаетсяоколо 300 тысяч обломков мусора".