ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 436, № 4, с. 470-473
ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
УДК 629.78
НОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ ЗАЩИТЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ОТ МИКРОМЕТЕОРОИДОВ И ОРБИТАЛЬНОГО МУСОРА
© 2011 г. А. И. Малкин, В. М. Занозин, М. М. Кононенко, Ю. П. Топоров, Т. А. Шумихин, академик А. Ю. Цивадзе
Поступило 09.09.2010 г.
Современные конструкции защиты космических аппаратов основаны на принципе ударной фрагментации частиц космической среды при взаимодействии с защитными экранами. Качество защиты определяется эффективностью дробления частиц (характерным размером фрагментов) и величиной поперечного импульса, приобретенного фрагментами разрушения. Разлет фрагментов в поперечном направлении обеспечивает снижение плотности потока импульса на защищаемую поверхность и тем самым снижение вероятности пробития или опасного повреждения корпуса космического аппарата.
Построение рациональной экранной защиты основывается на компромиссе между двумя противоположными требованиями: с одной стороны, защита должна быть достаточно надежной, с другой — иметь минимально возможную массу. Проблема создания эффективной облегченной защиты является чрезвычайно актуальной в связи с высокой стоимостью доставки грузов на околоземные орбиты и с возрастанием требований к безопасности при длительной эксплуатации аппаратов. Для снижения массы предлагались многочисленные модификации конструкции защитных экранов. Сравнительно недавно было установлено, что существенного снижения массы защиты можно добиться за счет применения дискретных сетчатых экранов [1—4]. Преимущества таких экранов обусловлены более эффективной передачей импульса и энергии налетающей частице при внедрении в нее дискретных элементов сетчатого экрана.
Предлагаемая новая концепция основана на включении в конструкцию дискретных защитных экранов компактных элементов из механохими-чески активных композиционных материалов. Внедрение в частицу активных элементов, пре-
Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской Академии наук, Москва Институт прикладной механики Российской Академии наук, Москва
терпевающих при высокоскоростной деформации химическое или фазовое превращение с большим выходом газофазных продуктов, должно приводить к повышению давления в образующемся кратере и, следовательно, к увеличению разрушающего воздействия и поперечного импульса наиболее опасных относительно крупных фрагментов разрушения частицы. В настоящей работе обсуждаются физико-химические основы построения дискретной защиты с элементами из активных материалов и результаты первых экспериментов.
Прежде всего необходимо отметить, что сетчатые конструкции не являются оптимальными. По-видимому, наилучший результат должны давать конструкции с дискретно расположенными компактными элементами, закрепленными на легкой несущей (например, тканевой) основе. Преимущества таких экранов обусловлены как более выгодным (по сравнению с сетчатыми) перераспределением энергии в системе центра масс, так и возможностью использовать тканевую или другую мягкую основу в конструкции защитного экрана. Последнее позволяет развернуть экран после вывода аппарата в космос и разместить его на оптимальном расстоянии от защищаемой оболочки. Если при столкновении частицы с экраном обеспечивается требуемый уровень дисперсности фрагментов, увеличение разнесения приводит, очевидно, к снижению плотности потока импульса и вероятности опасного повреждения корпуса аппарата.
Специфика орбитальных условий накладывает жесткие ограничения на материалы, используемые в конструкции защитных экранов. Высокие требования к безопасности, радиационной стойкости и долговечности исключают возможность использования гомогенных составов, способных к быстрым экзотермическим превращениям, и легко испаряющихся материалов: высокоэнергетическое и ультрафиолетовое излучение вызывает ускоренную деградацию таких материалов. С другой стороны, в условиях высокоскоростной деформации механохимическое превращение должно протекать достаточно быстро. В идеале компакт-
НОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ ЗАЩИТЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
471
Таблица 1. Основные характеристики активных композитов металл—политетрафторэтилен стехиометрического состава
Наполнитель
Массовая доля наполнителя
Ро,3 г/см3
Ко, ГПа
Со,
кДж/кг
Р
1 тах>
ГПа
А1 о.26 2.27 5.о3 867о 2.2о 1.49 1.92 о.7 о.36 о.22 о.19
Ве о.15 2.1о 4.78 Ю25о 2.61 1.54 2.28 о.82 о.42 о.25 о.18
о.22 2.15 4.65 6о5о 1.88 1.61 1.34 о.48 о.25 о.15 о.18
о.48 3.15 5.12 549о 1.76 1.63 1.22 о.44 о.22 о.14 о.22
о.55 3.95 4.64 35оо 1.24 1.25 о.78 о.28 о.14 о.о9 о.23
Ег/Ес
ио = 3 км/с
Ио = 5 км/с
Ио = 7 км/с
ио = 9 км/с
п
е
0
ныи элемент из активного материала должен вести себя как пластичное твердое тело на начальном этапе проникания в частицу, а при внедрении на глубину порядка собственного размера испытывать быстрое превращение.
Наиболее перспективными активными материалами для экранной защиты космических аппаратов представляются композиционные материалы с фторопластовой матрицей и металлическим наполнителем. Фторопласты достаточно стабильны в орбитальных условиях и обеспечивают большой энергетический эффект в реакциях с металлами. Термическое разложение фторопластов сопровождается массовым образованием низкомолекулярных продуктов. Вместе с тем эффект применения активных композитов определяется рядом механических, термодинамических и кинетических факторов.
В таблице 1 представлены результаты расчетов основных механических и термодинамических характеристик композитов металл—политетрафторэтилен стехиометрического состава: плотности р0 и модуля сжатия Ко, теплоты реакции Q0, максимального давления Ртах и показателя изэнтропы пе продуктов превращения при плотности р0. При взаимодействии налетающей частицы с активными элементами экрана полная энергия в системе центра масс складывается из двух составляющих — энергии Ес, переданной в результате столкновения, и энергии Ег, выделенной в химической реакции. Величина отношения Ег/Ес, вычисленная для нескольких значений скорости частицы ио при условии, что полнота реакции равна единице и суммарная масса провзаимодействовавших с частицей активных элементов значительно меньше ее массы, также представлена в табл. 1. Кроме того, приведено отношение начальной скорости ио проникания активных элементов в алюминиевую частицу к ее скорости, вычисленное в акустическом приближении.
Результаты, представленные в табл. 1, позволяют заключить, что с термодинамической точки зрения создание дискретных защитных конструк-
ций с компактными активными элементами оправдано. В представляющем основной интерес интервале скоростей соударения химическая и механическая энергия являются величинами одного порядка. Уровень давления продуктов механохими-ческого превращения в стесненных условиях при этом высок, а показатель изэнтропы невелик, что позволяет рассчитывать на значительный вклад выделяющейся в реакции энергии в процесс фрагментации налетающей частицы.
Ясно, что высокие энергетические характеристики активных композитов не являются достаточным условием эффективности защитных экранов. Роль механохимических превращений может быть значительной лишь при определенных ограничениях на размер активных элементов и кинетические параметры — период индукции и время превращения. Прежде чем перейти к обсуждению этих ограничений, необходимо сделать одно важное замечание.
Динамика ударной фрагментации компактных частиц не поддается детальному количественному анализу даже для частиц правильной формы. При качественном рассмотрении часто выделяют два механизма разрушения частиц [5]. Первый — множественный откол — реализуется непосредственно при отражении ударной волны от свободной поверхности частицы в зоне больших растягивающих напряжений и скоростей деформации. Этот механизм отвечает за фрагментацию периферийных областей частицы и характеризуется быстрым образованием связной системы трещины отрыва, малым размером фрагментов и высокой скоростью их разлета. После быстрой отколь-ной фрагментации периферийных областей уровень растягивающих напряжений в центральной области — в ядре — недостаточен для быстрого зарождения и развития трещин отрыва. Разрушение ядра протекает по второму механизму, включающему развитие сдвиговых неустойчивостей и образование трещин под действием весьма сложной динамической деформации с относительно невысокими скоростями. Время фрагментации ядра и размер фрагментов значительно больше, а
472
МАЛКИН и др.
их скорость относительно центра масс меньше, чем при фрагментации отколом. Поскольку наиболее опасны крупные фрагменты, обладающие малыми скоростями разлета друг от друга, усовершенствованная конструкция защитного экрана в первую очередь должна обеспечивать улучшение параметров фрагментации ядра.
Ограничения на размер активных элементов вытекают из физической картины взаимодействия частица—экран. Ясно, что размер элемента должен быть существенно меньше размера опасных частиц. С другой стороны, элементы не должны быть очень малы. Глубина внедрения элементов слишком маленького размера ограничена приповерхностными слоями частицы, тогда как значительного увеличения скорости радиального разлета фрагментов можно достичь лишь при глубине, соизмеримой с размером частицы. На основе данных о распределении частиц орбитальной среды по размерам и скоростям [6] разумным представляется диапазон размеров и масс активных элементов соответственно 1—2 мм и 0.001— 0.03 г при удельной массе экрана на единицу площади 2—4 кг/м2.
Ограничения на кинетические параметры ме-ханохимического превращения основаны на следующих соображениях. На начальном этапе взаимодействия, до внедрения активного элемента в частицу на глубину порядка его размера, степень превращения должна быть незначительной. В противном случае вклад выделяющейся энергии в кинетическую энергию радиального разлета фрагментов будет мал. Характерное время внедрения эле, й мента размером а по порядку величины есть —,
и
что при а = 1 мм и скорости частицы 3—9 км/с составляет 0.5—1.8 мкс. Соответственно, значение периода индукции превращения должно быть не мен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.