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

ГОСКОРПОРАЦИЯ «РОСКОСМОС»ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ«ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ»На правах рукописиГолденко Наталья АлександровнаРАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯПРОЧНОСТИ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ МОДУЛЕЙ ОРБИТАЛЬНЫХСТАНЦИЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ОСКОЛОЧНО-МЕТЕОРОИДНОЙСРЕДЫСпециальность: 01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратурыДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наукВ.А. ФельдштейнМосква - 20172ОГЛАВЛЕНИЕСПИСОК СОКРАЩЕНИЙ...........................................................................

5ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................... 6ГЛАВА1.ПРОБЛЕМЫОБЕСПЕЧЕНИЯПРОЧНОСТИТРАНСФОРМИРУЕМЫХ МОДУЛЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПРИВОЗДЕЙСТВИИ ОСКОЛОЧНО-МЕТЕРОИДНОЙ СРЕДЫ ........................... 181.1Конструкции и материалы трансформируемых модулей космическихаппаратов ................................................................................................................ 181.2Осколочно-метеороидная обстановка.

Характеристики воздействияударов частиц на космические аппараты ........................................................... 241.3Физические принципы защиты космических аппаратов ................... 271.4Требованиякконструкциимногослойнойтрансформируемойгибкой оболочки надувного модуля .................................................................... 301.5 Обзор методов наземной экспериментальной отработки воздействиявысокоскоростной осколочно-метеороидной среды .........................................

321.6Исследованияметаниякомпактныхчастицспомощьюкумулятивных облицовок типа «полусфера-цилиндр» ..................................... 43ГЛАВА2МЕТОДРАСЧЕТАПРОЧНОСТИКОРПУСОВТРАНСФОРМИРУЕМЫХ МОДУЛЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПРИВОЗДЕЙСТВИИ УДАРОВ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЧАСТИЦ ................... 462.1 Исходные данные и аппарат расчета взаимодействия частицы смногослойной стенкой корпуса трансформируемого модуля космическогоаппарата ..................................................................................................................

472.2 Методика расчета прочности защищаемой стенки газодержащейгермооболочки трансформируемого модуля ..................................................... 512.3 Расчёт воздействия ударов частиц по гибкому тканевому экрану .. 542.3.1 Экран из ткани СВМ (10 слоёв ткани) ............................................. 552.3.2 Экран из ткани суровой (16 слоёв ткани) ........................................ 582.4 Расчёт воздействия ударов частиц по многослойной стенкетрансформируемого модуля .................................................................................

6332.4.1 Постиспытательное численное моделирование в двумернойпостановке .............................................................................................................. 632.4.2 Постиспытательное численное моделирование в трехмернойпостановке ..............................................................................................................

652.5 Исследование энергетических характеристик облака продуктовразрушения частиц на встроенной защите трансформируемого модуля ........ 682.5.1Влияние расстояниямеждуэкранаминаэнергетическиехарактеристики облака ......................................................................................... 692.5.2 Влияние толщин слоев защиты на энергетические характеристикиоблака......................................................................................................................

722.5.3Рекомендациипротивоударнойзащитыповыборудляструктурыгермооболочекслоеввстроеннойперспективныхтрансформируемых модулей орбитальных станций ......................................... 752.6 Результаты расчета прочности защищаемой стенки газодержащейгермооболочки трансформируемого модуля ..................................................... 76ГЛАВА 3 МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯПРОЧНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЗРЫВНОГО МЕТАТЕЛЬНОГОУСТРОЙСТВА ......................................................................................................

783.1 Постановка задачи и методика численного моделирования ВМУ .. 783.2 Исследование влияния конструктивных параметров ВМУ наскорость и характер метаемого элемента ........................................................... 813.2.1 Влияние материала формирователя с кумулятивной выемкой ..... 813.2.2 Влияние типа ВВ ................................................................................ 833.2.3 Влияние способа инициирования заряда ......................................... 843.2.4 Влияние габаритов ВМУ ................................................................... 893.2.6 Влияние длины цилиндрической части кумулятивной выемки«полусфера-цилиндр» ...........................................................................................

893.2.7 Влияние диаметра выемки полусфера-цилиндр ............................. 903.2.8 Влияния толщины формирователя с выемкой ................................ 913.2.9 Влияние толщины стенки корпуса заряда ....................................... 9243.2.10 Влияние низкоплотной прокладки между основным зарядом иформирователем .................................................................................................... 933.3 Расчет отсечки низкоскоростной части струи ...................................

963.3.1 Отсечка с помощью несимметричного выхода ударной волны наповерхность формирователя ................................................................................ 963.3.2 Отсечка с помощью биметаллического формирователя................ 973.3.3 Отсечка с помощью замка ................................................................. 993.3.4 Отсечка с помощью сминаемой трубки .........................................

1063.4 Инженерная методика расчета конструктивных параметров ВМУ............................................................................................................................... 111ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИВЗРЫВНОГО МЕТАТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА .......................................... 1194.1Конструкцияифункционированиевзрывногометательногоустройства ............................................................................................................ 1194.2 Схемы экспериментов ........................................................................

1234.3 Результаты экспериментов ................................................................. 1264.3.1 Результаты испытаний ВМУ с зарядом из низкоплотного ВВ ... 1264.3.2 Результаты испытаний ВМУ с шашкой из высокоплотного ВВ 1294.4 Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными 1384.5 Кратерообразование в биметаллической преграде..........................

1384.5.1 Исследование кратера в пластине (эксперимент № 6, без отсечкипеста)..................................................................................................................... 1404.5.2 Исследование кратера в пластине (эксперимент № 8, с отсечкойпеста)..................................................................................................................... 1444.5.3Расчетвысокоскоростноговоздействиячастицынабиметаллическую пластину................................................................................

148ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................... 152СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................... 1555СПИСОК СОКРАЩЕНИЙБПЗ–баллистическая предельная зависимость;ВВ–взрывчатые вещества;ВМУ–взрывное метательное устройство;ВУ–взрывное устройство;ГКУ–газокумулятивное устройство;КЗ–кумулятивный заряд;КЭ–компактный элементКМ–космический мусор;КА–космический аппарат;ЛБУ–легкогазовая баллистическая установка;МКМ–микрометеориоды;МКС–Международная космическая станция;ОКМ–осколки космического мусора;ПБУ–пороховая баллистическая установка;ППУ–пенополиуретан;ПЦ–полусфера-цилиндр;РКТ–ракетно-космическая техника;ЭМУ–электромагнитное устройство;ЭСУ–электростатическое устройство;ЭТУ–электротермическое устройство;1СГУ–одноступенчатое газовое устройство;1СПУ–одноступенчатое пороховое устройство;2СГУ–двухступенчатое газовое устройство;2СПУ–двухступенчатое пороховое устройство;6ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследованияНакопление в околоземном пространстве осколков отработавших ракетносителей и космических аппаратов (космического мусора - КМ) являетсянеизбежным негативным результатом космической деятельности.

Сочетаниетехногенногокосмическогомусорасестественнымичастицами-метеороидами создает среду, представляющую реальную опасность длякосмическихаппаратов.Наблюдениязасостояниемоколоземногокосмического пространства показывают, что с течением времени количествотехногенных осколков увеличивается с прогрессирующей скоростью иопасность столкновения их с орбитальными космическими аппаратами (КА)возрастает.

Это делает актуальной проблему обеспечения ударной прочностиконструкций орбитальных космических аппаратов. Решение этой проблемыидет по нескольким направлениям:-каталогизациянаблюдаемыхосуществление маневровуклонения(крупных)прифрагментовопасномсближенииКМиихспилотируемыми объектами типа МКС [1],- ограничение засорения околоземного пространства, достигаемоевыбором орбит захоронения и снижением степени диспергированияотработавших объектов [2],- повышение прочности КА путем введения в их конструкциюзащитных экранов и исследование прочности КА при ударном воздействииненаблюдаемых (мелких) частиц КМ [3].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 половине ХХвека.