Герасимов А.В.   Пашков С.В.   Христенко Ю.Ф.  

Одиночный и групповой удар высокоскоростных элементов по космическому аппарату

Докладчик: Герасимов А.В.

Присутствие в сформировавшемся приземном слое (протяженностью от 300 до 2000  километров) огромного количества техногенных осколков различных размеров и формы, образовавшихся в процессе разрушения спутников, последних ступеней ракет-носителей, разгонных блоков и других аппаратов и устройств, представляет серьезную угрозу безопасности автоматических и пилотируемых космических объектов. Проблема взаимодействия конструкций с высокоскоростными ударниками  приобретает в настоящее время особое значение в связи с увеличивающейся скоростью соударения, что повышает вероятность пробития, разрушения и нарушения нормального функционирования защищаемых объектов.
В последнее время особенно остро встала проблема надежной защиты элементов пилотируемых и автоматических аппаратов для исследования околоземного и дальнего космического пространства в связи с увеличивающейся продолжительностью полетов указанных объектов, что повышает вероятность столкновения последних с техногенными осколками, образовавшимися в результате разрушения орбитальных конструкций.
Численное моделирование высокоскоростного взаимодействия твердых тел с защитными системами позволяет воспроизвести характерные особенности физических  процессов, протекающих при столкновении, рассмотреть и выбрать оптимальные схемы экранов. Применение к исследованию данной проблемы современных компьютеров и численных методов, позволяющих решать задачи высокоскоростного соударения в трехмерной постановке с учетом фрагментации ударников и защитных элементов конструкции КА, представляется теоретически и практически важной задачей. Учет фрагментации и взаимодействия осколков между собой и с корпусом космического аппарата позволяет дать более полное представление о процессах, протекающих при высокоскоростном взаимодействии частиц космического мусора с оболочкой космического объекта.
В настоящей работе рассматривается взаимодействие одиночных ударников и групп ударников с  системами слоисто-разнесенных пластин. Следует отметить, что для практических задач большой интерес представляют разнесенные преграды и удар под углом.  Для численного решения этих задач необходим надежный и достаточно универсальный метод, позволяющий адекватно воспроизводить процессы разрушения и фрагментации, протекающие  в твердых телах при высокоскоростном взаимодействии. Вероятностный подход к фрагментации твердых тел при ударном нагружении и  предложенная в работе численная  методика  в наиболее полной, с физической точки зрения, трехмерной постановке позволяют с достаточно высокой точностью воспроизводить процессы пробития многослойных и разнесенных преград  высокоскоростными стержневыми элементами. Учет фрагментации материала твердых тел при интенсивных динамических нагружениях позволяет  использовать лагранжев подход к задачам высокоскоростного удара для  достаточно широкого диапазона скоростей взаимодействия. Этот подход особенно удобен при рассмотрении многоконтактных взаимодействий сталкивающихся тел, особенно при решении трехмерных задач удара. Начальная гетерогенность структуры реальных материалов, влияющая на характер распределения физико-механических характеристик материала по объему рассматриваемого тела, является важным фактором, определяющим характер разрушения. Одним из способов учета этого факта является введение  в уравнения механики деформируемого твердого тела случайного распределения начальных отклонений прочностных свойств от номинального значения, то есть моделирование, таким образом, начальных  структурных особенностей материала, а именно: наличие пор, включений, дислокаций и т.д.
В проведенных расчетах полностью  моделировались осколочные поля и учитывалось взаимодействие осколков между собой и с элементами многослойной преграды, что чрезвычайно важно при расчетах по защите космических аппаратов, так как формирующиеся при ударе потоки высокоскоростных частиц могут пробить основной корпус аппарата и повредить оборудование. Поэтому необходимо оценить кинетическую энергию осколков и рассчитать процесс соударения их с основным корпусом. Предложенный подход позволяет исследовать весь процесс взаимодействия ударника и преград с учетом формирования осколочных потоков и соударения последних с защищаемым объектом.
Проведенное исследование показало повышенную опасность воздействия группы стержней по защищаемому  корпусу космического аппарата по сравнению с воздействием одиночного ударника с массой, равной массе группы ударников и такой же скоростью. Разработанная численная методика позволяет моделировать процессы взаимодействия оболочек космических аппаратов с высокоскоростными длинными стержнями в широком диапазоне скоростей и углов соударения. Полученные результаты позволяют оптимизировать защиту объектов по массово-габаритным параметрам.