Автореферат (Расчетно-экспериментальные методы исследования прочности трансформируемых модулей орбитальных станций при воздействии осколочно-метеороидной среды)

На правах рукописиГолденко Наталья АлександровнаРАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯПРОЧНОСТИ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ МОДУЛЕЙ ОРБИТАЛЬНЫХСТАНЦИЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ОСКОЛОЧНО-МЕТЕОРОИДНОЙСРЕДЫСпециальность: 01.02.06 – «Динамика, прочность машин, приборов иаппаратуры»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии«Центральный научно-исследовательский институт машиностроения»Научный руководитель:доктор технических наукФельдштейн Валерий АдольфовичОфициальные оппоненты:ОстрикАфанасийВикторович,доктортехнических наук, профессор, ведущий научныйсотрудник лаборатории уравнений состояниявеществаФедеральногогосударственногобюджетного учреждения науки Института проблемхимической физики Российской академии наук(ИПХФ РАН), г. ЧерноголовкаМихайловский КонстантинВалерьевич,кандидат технических наук, доцент кафедры«Ракетно-космические композитные конструкции»Федеральногогосударственногобюджетногообщеобразовательногоучреждениявысшегопрофессионального образования «Московскийгосударственный технический университет имениН.Э.

Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана)», г. МоскваВедущая организация:Акционерное общество «Ракетно-космическийцентр «Прогресс» (АО «РКЦ «Прогресс»),г. СамараЗащита состоится «27» декабря 2017 года в 15:00 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 библиотекеФГБОУВО«Московскийавиационныйинститут(национальныйисследовательскийуниверситет)»инасайтеhttps://mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=84649Автореферат разослан «___» _______ 2017 года.Учёный секретарьдиссертационного советаФедотенков Г.В.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫНакопление в околоземном пространстве осколков отработавших ракетносителей и космических аппаратов (космического мусора - КМ) являетсянеизбежным негативным результатом космической деятельности. Сочетаниетехногенного космического мусора с естественными частицами-метеороидамисоздает среду, представляющую реальную опасность для космических аппаратов.Наблюдения за состоянием околоземного космического пространствапоказывают, что с течением времени количество техногенных осколковувеличивается с прогрессирующей скоростью и опасность столкновения их сорбитальными космическими аппаратами (КА) возрастает.

Это делает актуальнойпроблему обеспечения ударной прочности конструкций орбитальныхкосмических аппаратов. Решение этой проблемы идет по несколькимнаправлениям:- каталогизация наблюдаемых (крупных) фрагментов КМ и осуществлениеманевров уклонения при опасном сближении их с пилотируемыми объектамитипа МКС,- ограничение засорения околоземного пространства, достигаемое выбороморбит захоронения и снижением степени диспергирования отработавшихобъектов,- повышение прочности КА путем введения в их конструкцию защитныхэкранов и исследование прочности КА при ударном воздействии ненаблюдаемых(мелких) частиц КМ.Настоящая работа относится к последнему из названных направлений.Вопросы расчетно-экспериментального исследования прочности защитыэлементов РКТ при высокоскоростном воздействии частиц осколочнометеороидной среды получили интенсивное развитие во второй половинеХХ века.

Общие основы теории высокоскоростного удара в России былизаложены Л.П. Орленко, Ю.Ф. Христенко, В.Е. Фортовым, Л.А. Мержиевским иВ.М. Титовым и другими исследователями. Применительно к прочности защитыкосмических аппаратов в России это направление развивается в ФГУП«ЦНИИмаш»: Е.П. Буслов, В.П. Романченков, В.А.

Фельдштейн, Ю.В. Яхлаков, вФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева»: И.М. Гадасин, в АО «РКЦ «Прогресс»:Н.Д. Семкин,в ПАО «РКК «Энергия»: В.Г. Соколов, А.В. Горбенко, в ФГУП«НПО имени С.А. Лавочкина»: Д.Б. Добрица, АО «ИСС» имени академикаМ.Ф. Решетнева: Ю.Л. Булынин, в Томском государственном университете:Ю.Ф. Христенко, А.В. Герасимов, в МГТУ им. Н.Э. Баумана: В.В. Зеленцов,в Институте прикладной механики РАН: Н.Н. Мягков.Среди зарубежных авторов следует особо отметить Ф.Л. Уиппла, идеякоторого об отнесенном от основной конструкции тонком экране (экран Уиппла)лежит в основе всех видов экранных защит КА. Большой вклад в решениепроблемы внесли Б.Д.

Кур-Пале (B. G. Cour-Palais), К.Д. Мейден (C. J. Maiden),Э.Р. Макмиллан (A. R. McMillm), А. Пикутовский (A. Piekutowski), В. Шонберг(W. Schonberg), Э. Л. Кристенсен (E. L. Christiansen), М. Ламберт (M. Lambert).3В настоящее время сложилась концепция двухэкранной защиты, широкопримененная на модулях МКС.Однако в последние годы интенсивно ведутся работы по созданиюпринципиально новой конструкции космического аппарата, основанной наприменении трансформируемых (надувных) гермоотсеков, стенка которойвыполнена из гибких материалов. На этапе вывода на орбиту он находится всложенном состоянии, а на орбите наддувается и разворачивается, приобретаясвою рабочую форму.

Объем такого модуля, в отличие от модуля традиционнойконструкции, практически не зависит от диаметра грузового отсека ракетыносителя. Очевидно, что сложившаяся концепция защиты неприменима кнадувным трансформируемым модулям и требует разработки новых принциповобеспечения безопасности.Одной из основных проблем при наземной экспериментальной отработкепрочности элементов КА при ударах осколков космического мусора являетсясоздание средств имитации высокоскоростного соударения конструкции счастицей. Статистика распределения космического мусора по скоростям и массами анализ требований безопасности показывают, что для крупногабаритныхпилотируемых космических объектов типа МКС необходимо обеспечитьпрочность при ударах частиц массой ~ 1 г при скоростях удара до 15 км/с.

Отсюдавытекает задача: создание ускорителей механических частиц, обеспечивающихпроведение экспериментальной отработки изделий при указанных режимахвоздействия.Для этой цели на практике используются экспериментальные установки,работающие на различных принципах. В низкоскоростном диапазоне (V<3 км/с) пороховые баллистические установки (ПБУ) и одноступенчатые газовые пушки, всреднескоростном диапазоне (3<V<7 км/с) – двухступенчатые легкогазовыебаллистические установки (ЛБУ), в высокоскоростном (V>7 км/с) – метательныеустановки взрывного (кумулятивного) типа.Несмотря на активный интерес к данной проблеме, в ней остается многонерешенных вопросов.

По существу, защита космических аппаратов, котораяприменяется на данный момент, отрабатывается на высокоскоростноевоздействие мелких осколков только в диапазоне скоростей до 7 км/с. В то жевремя скоростной диапазон взаимодействия частиц с КА более широк и требуетувеличения реализации скоростей при наземной отработке до 10 км/с и выше.Легкогазовые баллистические установки, обеспечивающие скорости до (7,08,0)км/с находятся на пределе физических и технологических возможностей. Поэтомудостижение более высоких скоростей, по-видимому, должно идти по путииспользования взрывных технологий. В отличие от ЛБУ, где метаемая частицаимеет заданную массу и форму, в метательных установках взрывного(кумулятивного) типа частица формируется в процессе ускорения.

Поэтомуосновной проблемой является обеспечение стабильного режима испытаний, тоесть прогнозирования и реализации получения частицы с необходимой массой искоростью при соблюдении требований компактности, то есть соразмерности еегабаритов по различным направлениям.4Степень разработанности темы. В России и за рубежом активноразрабатываются перспективные конструкции трансформируемых модулейкосмических аппаратов, в основе которых лежит надувная гермооболочка измягкого полимерного материала.

Традиционная технология защиты модулейорбитальных станций от воздействия космического мусора основана наприменении защитных экранов, устанавливаемых дистанционно на стенкигермооболочек. Очевидно, что эта схема неприменима для трансформируемыхмодулей, которые разворачиваются после вывода на орбиту. В данном случаезащитные слои должны быть также легко складываемы, как и основныегазодержащие и силовые слои, входящие в состав гермооболочки.Проектирование, расчет и экспериментальная отработка встроенной защитытрансформируемых модулей является мало исследованной проблемой прочностиперспективных конструкций космических аппаратов.В настоящее время созданы взрывные метательные установки,позволяющие разгонять стальную частицу до скоростей порядка 10 км/с.

ОднакоКА необходимо отрабатывать на воздействие частиц из алюминиевых сплавов, изкоторых в основном состоит космический мусор. Различие физико-механическихсвойств стали и алюминия существенно сказывается на процессах формированиячастиц в устройствах взрывного кумулятивного типа. В настоящее времяотсутствуют систематические исследования по разработке метода метаниякомпактной алюминиевой частицы в диапазоне скоростей (7,011,0) км/с.Сложность экспериментов по высокоскоростному удару и их достаточно высокаястоимость требует по возможности более широкого использования современныхметодов численного компьютерного моделирования.Цельюдиссертационнойработыявляетсясовершенствованияпрочностной отработки трансформируемых модулей орбитальных станций привоздействии осколочно-метеороидной среды путем численного моделированиявысокоскоростногоударноговоздействиянаэлементывстроеннойпротивоударной защиты перспективных трансформируемых модулей иразработки экспериментального средства для испытаний конструкций модулей наудар алюминиевых частиц в диапазоне скоростей (7,0–11,0) км.Задачи диссертационной работы:- численное моделирование взаимодействия оболочек перспективныхтрансформируемых модулей КА с высокоскоростными частицами КМ с цельюоценки прочности ГО;- исследование прочности опытных образцов оболочек перспективныхнадувных трансформируемых модулей космических аппаратов и разработкарекомендаций по выбору конструктивной схемы встроенной защиты;- разработка метода экспериментального исследования прочности сиспользованием взрывного метательного устройства (ВМУ) с прогнозированиемреализуемых испытательных режимов, обеспечивающего метание компактныхалюминиевых частиц в диапазоне скоростей (7,011,0) км/с;- экспериментальная отработка ВМУ для валидации результатов численногомоделирования и подтверждения эффективности ВМУ как средства исследования5прочности конструкций на воздействии компактных частиц в диапазонескоростей (7,011,0) км/с;Научная новизна работы:- - впервые установлена зависимость величины поглощения энергиистатистически значимой частицей космического мусора (из алюминия, диаметр10 мм, скорость 7 км/с) от структуры многослойной встроенной экранной защитыперспективного трансформируемого модуля орбитальной станции;- впервые разработано взрывное метательное устройство, обеспечивающиепроведение испытаний конструкций на ударное воздействие компактныхалюминиевых частиц массой (0,01 – 1,00) г в диапазоне скоростей (7,011,0) км/с;- впервые теоретически обоснована и подтверждена экспериментальновозможность формирования и ускорения компактной алюминиевой частицы сзаданной массой до 1 г и скоростью до 11 км/с на основе кумулятивногопринципа;- впервые прямым экспериментом подтвержден вытеснительный механизмобразования кратера при ударе частиц при скорости до 6 км/с.Теоретическая и практическая значимость работы:- разработан метод расчета прочности гермооболочек перспективныхтрансформируемых модулей с многослойной встроенной защитой и полученныена его основе результаты могут быть использованы для выбора и обоснованиянаилучшей конструктивной схемы защиты;- численное моделирование работы взрывного метательного устройствапозволяет сократить число экспериментов по отработке режимов испытаний,реализуемых с помощью ВМУ, и является методической основой разработки рядааналогичных устройств;- разработанное ВМУ расширяет диапазон скоростей ударадо скоростей (7,011,0) км/с по сравнению с достигаемым на легкогазовыхбаллистических установках (до (7,08,0) км/с), что необходимо для отработкипрочности КА всех классов при воздействии осколочно-метеороидной среды;- использование ВМУ позволяет снизить стоимость испытаний в 5–6 раз посравнению с аналогичными испытаниями на легкогазовых баллистическихустановках;- результаты проведенных исследований являются научно-методическойосновой расчетно-экспериментальной отработки прочности трансформируемыхмодулей космических аппаратов при ударе компактной алюминиевой частицыкосмического мусора массой (0,01 – 1,00) г в диапазоне скоростей (7,011,0) км/с;- результаты работы, приведенные в диссертации, применяются в настоящеевремя и будут использованы при разработке изделий производства АО «РКК«Энергия», АО «ДКБА» и других предприятий ракетно-космическойпромышленности.Методология и методы исследованийВ работе использованы:- модели сплошной среды, использующие уравнения состояния материаловпри высокоскоростных процессах взрыва и удара;6- численные методы решения задач динамики сплошной среды;- методы испытаний метательных устройств взрывного (кумулятивного)типа;- методы регистрации, обработки и анализа экспериментальных данных(скорость метания частицы);- регрессионные методы обработки результатов систематических расчетов.Положения, выносимые на защиту:- метод и результаты исследования прочности корпусов трансформируемыхмодулей космических аппаратов при ударном воздействии высокоскоростныхчастиц космического мусора;- рекомендации по выбору структуры слоев встроенной противоударнойвстроенной защиты трансформируемых модулей космических аппаратов;- метод имитации воздействия алюминиевых частиц осколочнометеороидной среды на конструкции космических аппаратов в диапазонескоростей (7,011,0) км/с на основе взрывного метательного устройства;- инженерная методика выбора конструктивных параметров взрывногометательного устройства для реализации необходимых испытательных режимовпри исследовании прочности конструкций КЛА.Степень достоверности и апробация результатовДостоверность результатов подтверждена использованием классическойтеории взрыва и удара, обоснованным применением программных продуктоввысокого уровня, результатами экспериментов.Апробация работы: Результаты проведенных исследований докладывалисьи обсуждались на отраслевых и всероссийских конференциях, в том числе:- на 55-й, 56-й, 59-й научных конференциях МФТИ (ноябрь 2012, 2013, 2016гг.);- на семинаре молодых ученых и специалистов ЦНИИмаш, посвящённый 90летию В.Ф.