КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, том 46, № 6, с. 559-570
УДК 541.126
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОУДАРЕНИЯ ГРУППЫ ЧАСТИЦ С ЭЛЕМЕНТАМИ ЗАЩИТЫ
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
© 2008 г. С. А. Зелепугин3, А. А. Коняев1, В. Н. Сидоров3, И. Е. Хорев2, В. К. Якушев3
1 Томский государственный университет, 2 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 3 Отдел структурной макрокинетики Томского научного центра СОРАН Поступила в редакцию 20.03.2007 г.
Представлены результаты комплексных экспериментально - теоретических исследований метания и соударения группы высокоскоростных тел. Метание группы частиц (от 2 до 12) осуществлялось на баллистической трассе с использованием пороховых и легкогазовых установок различного калибра в диапазоне скоростей 500-3500 м/с. Управление процессом выброса частиц обеспечивалось действием аэродинамических сил. В экспериментах по соударению c преградами конечной толщины, имитирующими защиту космической техники, число частиц в однородном потоке изменялось от 2 до 7 при варьировании плотности потока (расстояний между частицами). Получены экспериментальные зависимости по изменению площади и массы тыльных откольных элементов. В численных расчетах моделировалось соударение от 2 до 4 частиц с преградой при ударе по нормали и под углом. Расчеты проведены в трехмерной постановке с применением критериев полного разрушения материала. Выявлено образование дополнительных очагов разрушения в преграде вследствие взаимного влияния частиц, получены простые критерии оценки степени взаимовлияния частиц и характера разрушения преград.
PACS: 47.40.Nm
1. ВВЕДЕНИЕ
Одной из наиболее сложных задач механики деформируемых сред является исследование процессов взаимодействия группы тел с преградой в условиях высокоскоростного удара [1-3]. Эта проблема вытекает непосредственно из практических задач, связанных с необходимостью защиты космических аппаратов в открытом космосе, а также спутников, станций и космонавтов в околоземном пространстве от потока метеорных тел и техногенного мусора. Также она является необходимой базой для решения более общей проблемы пробития крупным метеороидом или металлическим техногенным осколком системы разнесенных преград, имитирующих в том числе защиту космических аппаратов и их модулей.
Как в экспериментальном, так и в теоретическом плане проблемам удара группы тел по преграде и изучению особенностей их коллективного воздействия до сих пор уделялось крайне мало внимания. Такое положение объективно объясняется сложностью процесса множественного удара для физического и математического моделирования и изучения. В экспериментах трудно реализовать управляемое метание группы тел с требуемым распределением скоростей тел по величине и направлению, расстояний между ними
по фронту и глубине группы, обеспечить регистрацию параметров тел при подлете к преграде и в ходе последующего взаимодействия с ней. Для адекватного численного моделирования требуется проведение расчетов в трехмерной постановке [4-6], что сдерживается сложностью численных моделей, методик и недостаточной для данного случая производительностью вычислительной техники. Вместе с тем коллективное воздействие на преграду группы частиц различного размера и формы на практике реализуется в большинстве процессов высокоскоростного соударения. Это может быть последующий удар группы (потока) осколков, образовавшихся в запреградном пространстве после первичного удара. Коллективный характер может носить и первичный удар.
Ряд исследований, проведенных в последние годы, продемонстрировал существенное влияние коллективного действия группы частиц на конечный результат высокоскоростного соударения. В [7] было показано, что для скорости удара, меньшей величины, необходимой для пробития преграды одиночным телом, при ударе группы тел пробитие преграды возможно за счет интерференции волн разгрузки [8]. При разделении исходного стержня на идентичные сегменты (до 8 сегментов) было установлено [9], что если разнесе-
ние сегментов обеспечивает интерференцию волн и взаимовлияние, то уровень разрушений в преграде существенно возрастает. Коллективное действие группы частиц может инициировать детонацию взрывчатых веществ в условиях, когда одиночная частица детонацию не вызывает [10]. Приведенные примеры показывают существенное влияние коллективного фактора при ударе группы тел и вместе с тем демонстрируют, что подобные процессы и явления мало изучены.
Согласованное физико-математическое моделирование взаимодействия группы высокоскоростных частиц разного спектра, имитирующих поток техногенных осколков в ближнем космосе, с преградами (монолитными, экранированными, разнесенными) является перспективным методом получения достоверной информации о динамике всего процесса множественного удара и его последствиях. Комплексный экспериментально-теоретический анализ этой сложной задачи должен включать разработку методов и устройств контролируемого метания группы частиц в лабораторных условиях (в воздушной среде и в вакууме), экспериментальное изучение динамики процесса удара частиц по преградам и его последствий (на сохраненных образцах), численное моделирование с разработкой адекватной замкнутой методики расчета удара группы тел по преградам, имитирующим защиту космической техники и непосредственно по самим конструкциям и оборудованию космических аппаратов.
В данной работе представлены результаты экспериментально-теоретических исследований процессов высокоскоростного метания и последующего взаимодействия группы тел с преградой конечной толщины. Экспериментальные исследования были выполнены на баллистическом стенде с пользованием аэродинамического принципа поэтапного разделения метаемой конструкции. Теоретические исследования процессов высокоскоростного взаимодействия нескольких компактных тел с преградой были проведены численно в трехмерной постановке с помощью метода конечных элементов.
2. КОНТРОЛИРУЕМОЕ МЕТАНИЕ ГРУППЫ ЧАСТИЦ
Среди большого разнообразия возможных систем регулируемого метания потока (группы) модельных осколков в лабораторных условиях, существенный интерес представляют сборки, использующие аэродинамический принцип поэтапного разделения метаемой конструкции, так как они не требуют дополнительных источников энергии для обеспечения заданного положения тел в группе. При этом процесс отделения раз-
личных поддонов и ведущих устройств требуется организовать за возможно более короткий промежуток времени [11].
В данной работе используется методика метания группы частиц (от 2 до 12) в воздушной среде на основе разделения составных систем, которые компоновались из идентичных тел последовательно, причем их продольные оси или совпадали, или располагались параллельно друг другу и продольной оси всей системы [12]. При этом обеспечивался процесс направленного выброса частиц из контейнера под действием аэродинамических сил. Выброс частиц производился через головную часть контейнера, в его донную часть, а также через его боковую поверхность. При исследовании отделения поддона и ведущих устройств особое внимание акцентировалось на их соосном отделении от частиц.
Базовые эксперименты проводились на баллистической трассе с использованием пороховых и легкогазовых установок различного калибра. В качестве модельных техногенных осколков были взяты шары и цилиндры из конструкционных материалов. На баллистической трассе в ряде сечений проводилась визуализация обтекания разделяющихся сборок методом "светящейся точки" [11]. Диапазон начальных скоростей движения сборки в воздухе варьировался в пределах 500 - 3500 м/с. Параметрические исследования показали, что выбирая соответствующие значения аэродинамических и массово-геометрических характеристик компонующих тел сборки, можно целенаправленно управлять движением и рассеиванием составной системы в целом [13].
Для метания группы частиц изготавливался контейнер, который обеспечивал сохранность компоновки частиц при движении по каналу ствола и управляемое их рассеивание в заданной точке траектории. Он имел цилиндрическую форму. Его головная часть представляла собой плоский торец, усеченный конус, либо иглу с заданными геометрическими размерами. Для придания устойчивости движению контейнера в воздушной среде на его боковой поверхности создавалось необходимое отрывное течение путем выполнения осесиммет-ричного выреза.
Организация движения группы частиц с регулируемыми параметрами по фронту группы (перпендикулярно направлению движения) и глубине (вдоль траектории движения) обеспечивалась двумя способами направленного выброса частиц из контейнера под действием аэродинамических сил. Первый - через боковую поверхность с некоторым углом к направлению движения контейнера. В этом случае контейнер представлял собой цилиндр, со стороны переднего торца которого
выполнялся осевой канал, разветвляющийся на ряд радиальных каналов. Каналы соединялись с полостями, в которые помещались выбрасываемые частицы. Выполняя осевой и радиальные каналы с заданными диаметрами, можно получить различное положение модельных частиц по фронту и глубине. На рис. 1 приведен теневой снимок движения контейнера и группы из двух стальных сферических частиц диаметром 7.5 мм. Скорость движения тел соответствует числу Маха, равному 3.1. При подходе к преграде контейнер улавливается специальным центральным от-секателем. Из снимка видно, что положение центров масс частиц по глубине имеет одно и то же значение, обеспечивая при такой компоновке так называемый "фронтальный" удар по мишени.
Во втором случае на плоской лобовой поверхности выполнялись углубления, расположенные в заданной последовательности, в которые помещались выбрасываемые частицы. Количество углублений варьировалось от двух до шести. При движении сборки в воздухе под действием набегающего потока контейнер получал большое отрицательное ускорение в силу более значительной величины коэффициента силы лобового сопротивления и большего значения баллистического коэффициента. При этом группа частиц отделялась от контейнера и двигалась по заданной траектории, образуя кон
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.