научная статья по теме МЕТОДИКА РАСЧЕТА СТОЙКОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА Космические исследования

Текст научной статьи на тему «МЕТОДИКА РАСЧЕТА СТОЙКОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 3, с. 242-247

УДК 629.78

МЕТОДИКА РАСЧЕТА СТОЙКОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЧАСТИЦ

КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА © 2014 г. Д. Б. Добрица

Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина dbord@yandex.ru Поступила в редакцию 15.05.2012 г.

В статье рассматриваются проблемы применения и совершенствования моделей космического мусора при проектировании средств противометеорной защиты космического аппарата. Разработанная методика позволяет производить расчеты стойкости элементов конструкции на базе сопряжения доработанной пространственной модели распределения частиц космического мусора и баллистических предельных зависимостей для расчетного элемента.

Б01: 10.7868/80023420614020034

Постоянное увеличение количества космического мусора (КМ) может иметь катастрофические последствия не только для запуска тех или иных аппаратов на орбиту, но и для исследований космоса. Загрязненность космоса с каждым годом продолжает расти, в связи с этим растет риск столкновений, причиняющих повреждения космическим аппаратам.

Наиболее засорены те области орбит вокруг Земли, которые чаще всего используются для работы космических аппаратов. Это низкие околоземные орбиты (НОО), геостационарная орбита (ГСО) и солнечно-синхронные орбиты (ССО).

Число искусственных объектов с поперечными размерами более 5—10 см, находящихся на околоземных орбитах, к началу 2009 г. достигло 13 тысяч [1]. Общая закономерность распределения по размерам искусственных космических объектов сходна с аналогичной закономерностью для метеорных тел — с ростом размеров объектов их количество убывает. На основе статистических оценок делаются выводы, что общее число объектов размером более 1 см в районе НОО может достигать 60000—100000. Поскольку на околоземных орбитах все искусственные объекты движутся с близкими скоростями (~8 км с-1), скорости столкновения объектов могут лежать в диапазоне ■—0.1—16 км с-1 в зависимости от взаимной ориентации их орбит. Для моделирования и оценки опасности столкновений КА с телами, входящими в состав космического мусора, рекомендовано использовать значение средней относительной скорости 10 км с-1, при этом средняя плотность техногенных частиц принимается равной 4.0 г см—3.

Кинетическая энергия твердых частиц с такой скоростью достаточна для пробития одиночной стенки, толщина которой в несколько раз превышает размер самой частицы, поэтому потенциально опасными для тонкостенных критичных элементов КА являются частицы, размер которых начинается с долей миллиметра.

В соответствии с ОСТ 134-1031-2003 "Общие требования по защите космических средств от механического воздействия частиц естественного и техногенного происхождения" (п. 5.6), показателем стойкости космических средств к механическому воздействию высокоскоростных частиц естественного и техногенного происхождения является вероятность его неповреждения в течение срока эксплуатации, которая рассчитывается на основе модели космической среды и баллистических предельных зависимостей (БПЗ), устанавливающих связь между размером, скоростью и углом соударения частицы, удар которой приведет к потере работоспособности элемента КА.

Поскольку описание модели засоренности рабочей орбиты частицами естественного и искусственного происхождения входит в материалы проектной документации на КА (см. ОСТ 1341031-2003), то актуальной проблемой при проектировании средств экранной защиты КА является использование инструментария, позволяющего производить расчеты стойкости элементов конструкции на базе сопряжения рабочей пространственной модели распределения частиц (в данном случае речь идет о космическом мусоре) и БПЗ для расчетного элемента, устанавливаемых либо экспериментальным путем, либо с использованием эмпирических зависимостей для одно-

и двухслойных конструкций, либо путем численного моделирования (для я-слойных, неметаллических, сеточных конструкций и т.д.).

Оценки интенсивностей потоков частиц КМ на конкретных высотах проводятся на основе расчетных моделей, описывающих метеорные условия и распределение космического мусора. В нашей стране ГОСТ Р 25645.167-2005 [2] устанавливает модель пространственно-временного распределения плотности потоков техногенного вещества размером более 0.1 см на удалении от поверхности Земли от 200 до 2000 км в произвольный момент времени с 2000 г. по 2025 г. Стандарт предназначен в т.ч. для использования в расчетах при определении условий функционирования и полета космических аппаратов в околоземном пространстве. Созданная на базе него модель в международной практике известна как SDPA (Space Debris Prediction and Analysis). Наиболее известные созданные за рубежом компьютерные модели — ORDEM 2000 (Orbital Debris Engineering Model) и MASTER 2001 (Meteoroid And Space debris Terrestrial Environment Reference model), разработанные в NASA и ESA соответственно [3, 4]. Эти модели созданы на основе данных, полученных при исследовании космического пространства (приборами, устанавливаемыми на метеорологических ракетах, спутниках, и т.д.) и в результате наземных измерений (радиолокационными и оптическими средствами).

Модель ORDEM 2000 применима для исследования околоземного пространства на высотах от 200 км до 2000 км. Интервал прогнозирования: 1991—2030 гг. [3].

Данная модель позволяет определять пространственную плотность космических частиц (число частиц в единице объема, км-3), их среднюю орбитальную скорость (км с-1) и значения потоков частиц (число столкновений за единицу времени с единичной площадкой, м-2) на каждом сегменте заданной орбиты, а также усредненные значения полного потока для каждого заданного размера частиц на всем диапазоне высот. Исходными данными являются параметры орбиты (высота апогея и перигея, наклонение, аргумент перигея), количество сегментов Nseg, (Nseg е [1, 100]), на которое будет разделена плоскость орбиты, год наблюдения и, если наблюдение проводится с Земли, географическая широта, угол азимута и высоты. Все характеристики потоков определяются для частиц размером от 10 мкм до 1 м (для шести фиксированных размеров: 10 мкм, 100 мкм, 1 мм, 1 см, 10 см, 1 м).

Модель MASTER 2001 (ESA Meteoroid and Space debris Terrestrial Environment Reference) применима для исследования околоземного пространства вплоть до высот геостационарной орбиты [4]. Интервал прогнозирования: 1960-2050 гг. В

MASTER 2001, в отличие от ORDEM 2000, плотность потока — это поток частиц через поверхность некоторого объекта сферической формы с единичной площадью поперечного сечения (1 м2).

В сравнении с ORDEM 2000 модель MASTER 2001 позволяет более точно:

задавать положение орбиты КА (дополнительными параметрами являются долгота восходящего узла и истинная аномалия);

задавать интервал времени (с точностью до дня);

учитывать более широкий диапазон частиц (диаметр (м) и масса (кг) частиц могут изменяться в пределах [10-6, 102]).

MASTER 2001 позволяет также учитывать источники потока частиц космического мусора и метеорных частиц, например, фрагменты космических объектов, выбросы, частицы отвалившейся краски, сезонные метеорные и астероидные потоки и т.д.

В российской модели SDPA, разработанной в Центре космических наблюдений Росавиакосмоса, рассматриваются не отдельные составляющие космического мусора, а пространственное распределение их концентрации, а также величины и направление скорости космических объектов. Относительной характеристикой модели является метод моделирования динамики среды техногенного мусора, позволяющий эффективно отслеживать влияние различных факторов, в частности, активности Солнца. Текущее состояние загрязнения околоземного космического пространства (ОКП) характеризуется зависимостью концентрации космического мусора от высоты и широты точки и статистическими распределениями величины и скорости частиц в инерциальной системе координат. Эти характеристики построены на базе комплексного использования доступной измерительной информации и различных априорных данных [5].

В табл. 1 приведены сравнительные характеристики для моделей космического мусора.

По модели SDPA, представленной в виде компьютерной программы, можно рассчитать ожидаемый поток космического мусора на любых орбитах и на заданное время (до 2025 г.) и даже определить вероятность пробоя элементов конструкции космического аппарата частицами космического мусора (что не позволяет осуществить модель MASTER). Однако в практических расчетах стойкости элементов КА под воздействием космического мусора невозможно обойти ряд ограничений, заложенных в этой программе. Наиболее существенные из них следующие:

существует ограничение по размеру частиц (рассматриваются частицы КМ диаметром более 1 мм), хотя высокоскоростные частицы размером

Таблица 1. Модели космического мусора

Модели MASTER 2001 ORDEM 2000 (EVOLVE) SDPA-E ^РА 2000)

Высоты 200-45164 км 200-2000 км 300—2000 км

35400—36200

В минимум 0.001 мм 0.01 мм 1 мм

Источники Отдельные Сумма Сумма

Концентрация Да Да Да

Удельный поток относит. КА Да Да Да

Отн.скорость Да Да Да

Подход Детерминированный Смешанный Стохастический

Таблица 2. Разбиение размеров и средней массы КО на диапазоны

Наименование

Диапазон размеров для у

показателя 1 2 3 4 5 6 7 8

Размеры, см 0.1-0.25 0.25-0.5 0.5-1.0 1.0-2.5 2.5-5.0 5.0-10 10-20 >20

Средняя масса, г 8.60 • 10-3 5.80 • 10-2 2.80 • 10-1 1.80 1.00 • 101 6.40 • 101 3.63 • 102 3.00 • 105

Плотность, г/см3 2.5 2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 3.7 3.9

0.1.. .1 мм являются основным источником опасности для тонкостенных элементов конструкции КА;

для задачи расчета вероятности пробоя рассматривается ограниченный набор баллистических кривых, встроенный в программу (в случае отклонения пользователь должен самостоятельно произвести доработку используемых библиотек), что не очень удобно на практике (например, при подборе оптимальной метеорной защиты);

модель предназначена только для исследования потоков космического мусора, исследование воздействия других внешних факторов космического пространства (спорадические метеорные тела, а также частицы, принад

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Космические исследования»