КОМБИНИРОВАННЫЙ ЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
COMBINED SHIELD OF SPACECRAFT

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, в частности, к средствам обеспечения высокоэффективной защиты элементов конструкции ракетно-космической техники с помощью защитного экрана от воздействия высокоскоростных частиц-ударников.
Существуют различные варианты защиты конструкций космических аппаратов от физического воздействия метеорных частиц и космического мусора.
Известно активное теплозащитное покрытие корпуса летательного аппарата, отличающееся тем, что выполнено из разнородных по материалу слоев (см. патент РФ №2310588, 15.02.2006, МПК B64G 1/58, B64G 1/56, В64С 1/38, F42B 15/34). При воздействии на защищаемый объект высокоскоростных кинетических ударников поглощение тепловой энергии осуществляется за счет эндотермической химической реакции перехода от пара до ортоводорода, плавления парафина и вспучивания огнезащитной композиции. Осуществляется высокоэффективный отвод тепла из области его концентрации за счет быстрого переноса тепла алюминиевой сеточной структурой. При этом обеспечивается равномерное распределение теплового источника по корпусу летательного аппарата с целью обеспечения его равнопрочности. Демпфирование динамического воздействия высокоскоростных кинетических ударников (пуль, осколков, микрометеоритов и других) на защищаемый объект осуществляется за счет деформации (смятия) слоя, состоящего из сотовой структуры медной фольги, заполненной вспучивающейся огнезащитной композицией. При повреждении защитного покрытия вспучивающаяся огнезащитная композиция заполняет область повреждения.
Очевидными недостатками данного способа являются следующие моменты:
- практическое отсутствие защиты от перегрева конструкции при ударе и возможность выкипания защитного слоя;
- неопределенность условий обеспечения теплосъема с корпуса летательного аппарата;
- низкий уровень готовности покрытия к последующему воздействию иных скоростных объектов.
Известно устройство, реализующее способ защиты космических объектов, когда перед космическим аппаратом на минимально допустимом расстоянии от него развертывают защитный экран в направлении возможного использования средств нападения, перекрывая экраном зону досягаемости космического аппарата указанными средствами и сообщая экрану скорость и траекторию полета, близкие к скорости и траектории полета космического аппарата (см. патент РФ №2294866, 02.06.2005, МПК B64G1/52, B64G1/56).
Очевидные недостатки данного способа состоят в следующем:
- необходим источник энергии для развертывания экрана;
- необходимы дополнительные элементы конструкции для выполнения операций;
- обеспечивается низкая эффективность при столкновении с группой объектов;
- очевидна выборочность защиты с учетом размеров и массы объектов.
Наиболее близким по технической сути (прототипом) к предлагаемому изобретению является комбинированный экран, содержащий внешний фигурный экран и упругую подложку (см. патент РФ №2122701, 17.09.1997, МПК F41H 5/08, F41H 5/08).
Очевидные недостатки данного устройства состоят в следующем:
- наличие в устройстве подвижных частей;
- наличие очевидных ограничений по уровню воспринимаемой энергии;
- наличие ручных операций при работе с экраном;
- очевидная ненадежность защиты с учетом размеров и массы поражающих объектов;
- комбинированный экран представляет собою достаточно жесткую конструкцию, что не позволяет в полной мере использовать упругие (демпфирующие) свойства элементов устройства.
Основной недостаток прототипа заключается в восприятии конструкцией или ее отдельными элементами всей энергии удара и в сложности организации многократной возможности использования предложенного варианта защиты при отсутствии человека. Кроме того, предотвращение разрушения космического аппарата в космосе требует использования достаточно прочной и массивной наружной конструкции.
Задачей предлагаемого изобретения является создание комбинированного защитного экрана космического аппарата, при котором техническим результатом будет являться многократная возможность снизить разрушительные последствия прямого удара без вмешательства человека.
Этот технический результат в комбинированном защитном экране космического аппарата, содержащий внешний фигурный экран и упругую подложку, достигается тем, что внешний экран выполнен с гладкой винтовой поверхностью.
Сущность изобретения можно пояснить следующим образом.
Предлагаемый комбинированный защитный экран состоит из двух частей (фиг. 1):
1. Внешнего фигурного экрана 1 (фиг. 1), выполненного в виде гладкой винтовой поверхности и обеспечивающего потерю кинетической энергии частицами-ударниками, которые меняют направление вектора скорости после удара о поверхность внешнего фигурного экрана.
2. Упругой подложки 2 (фиг. 1), выполненной из одного или нескольких слоев, гасящих остаточную энергию удара.
Считаем, что частица-ударник совпадает с точкой М удара о поверхность внешнего фигурного экрана 1. Комбинированный защитный экран закрывает от воздействия космический аппарат 3 (фиг. 1).
Использование предлагаемого изобретения заключается в следующем.
После столкновения частицы-ударника с внешним фигурным экраном 1 (фиг. 1) часть энергии частицы-ударника передается конструкции устройства, и происходит неполное торможение частицы-ударника, сопровождающееся деформированием материала слоев упругой подложки 2 (фиг. 1). Частица-ударник, частично потерявшая свою полную скорость, отбрасывается в космическое пространство. При этом возможно закручивание частицы-ударника за счет контакта с винтовой поверхностью внешнего фигурного экрана 1 (фиг. 1).
Защитный эффект предлагаемого устройства связан с тем, что при воздействии на защищаемый объект высокоскоростных частиц-ударников (частиц, осколков, микрометеоритов и других летящих объектов) происходит изменение траектории их движения, связанное с появлением боковой составляющей вектора скорости. В отличие от типичного варианта столкновения частицы-ударника с плоской поверхностью космического аппарата при использовании предлагаемого комбинированного защитного экрана создаются условия для преобразования кинетической энергии частицы-ударника, связанные с изменением направления вектора скорости частицы-ударника. Конструкции космического аппарата в этом случае передается лишь часть энергии, которой обладает частица-ударник, а она сама после столкновения с винтовой поверхностью внешнего фигурного экрана 1 (фиг. 1) изменяет направление скорости, определяющее ее движение в периферийной зоне.
После удара происходит восстановление упругой подложки 2 (фиг. 1) в первоначальных размерах за счет внутренних сил упругости.
Схема взаимодействия частицы-ударника и поверхности внешнего фигурного экрана 1 (фиг. 1) представлена на фиг. 2.
Предполагаем, что поверхность внешнего фигурного экрана является абсолютно гладкой (за счет обработки), что позволяет исключить из рассмотрения ударный импульс силы трения скольжения.
На винтовой поверхности внешнего фигурного экрана 1 (фиг. 1) зафиксируем произвольную точку М удара частицы-ударника по поверхности космического аппарата. Рассмотрим общую картину взаимодействия частицы с поверхностью внешнего фигурного экрана и преобразования кинетической энергии.
Принятые обозначения:
- скорость частицы-ударника до удара; - скорость частицы-ударника после удара; β - угол падения (угол между нормалью к поверхности экрана и вектором  скорости частицы-ударника); γ - угол отражения (угол между нормалью к поверхности экрана и вектором скорости частицы-ударника ).
Зададимся плоской системой координат, начало которой совпадает с точкой контакта частицы-ударника и экрана, а оси координат направлены по касательной ( - орт касательной) и по главной нормали к поверхности экрана ( - орт нормали).
Определив составляющие вектора скорости до удара и после удара, составим уравнения теоремы об изменении количества движения частицы-ударника при ударе в проекциях на касательную и главную нормаль к поверхности экрана в точке контакта его с частицей-ударником
где
- проекции ударного импульса на оси τ и n.
Так как поверхность экрана предполагается абсолютно гладкой, то
С учетом этого уравнение (1) можно записать в виде
так что
Таким образом, при отсутствии ударного импульса силы трения скольжения проекция скорости частицы-ударника на общую касательную к поверхностям соударяющихся тел в конце соударения равна проекции скорости частицы-ударника на ту же ось в начале соударения.
Это позволяет исключить уравнение (1) из дальнейшего рассмотрения и записать уравнение (2) следующим образом
или
где  - нормальная составляющая ударного импульса реакции поверхности экрана.
Если считать экран неподвижным, то проекция вектора скорости частицы на нормаль к поверхности экрана в конце соударения связана с проекцией на ту же ось в начале соударения выражением
где k - коэффициент восстановления при ударе (зависит от свойств выбранного материала).
Таким образом, скорость частицы после удара равна
Угол отражения γ определяется по величине его тангенса
или, с учетом равенств (3) и (4),
В свою очередь, угол падения определяется следующим образом
Используя выражение (6), получим зависимость между тангенсами углов отражения и падения
Ударный импульс, воспринятый частицей-ударником и поверхностью, геометрически равен ударному импульсу его нормальной составляющей (так как  а величина  определяется из уравнения (4). Ударный импульс поглощается упругой подложкой. Принимая во внимание следующие выражения:
найдем
На основании уравнения (7) можно сделать следующие выводы:
- максимальное значение ударного импульса при установленных коэффициенте восстановления и модуле начальной скорости достигается при прямом ударе (β=0);
- при абсолютно упругом ударе (k=1) импульс удваивается по сравнению с импульсом при абсолютно неупругом ударе (k=0).
Очевидно, что за счет выбора материалов с определенными физико-механическими свойствами можно обеспечить получение значений ударного импульса в приемлемом диапазоне.
Демпфирование динамического воздействия высокоскоростных частиц-ударников осуществляется за счет деформации (смятия) слоев, расположенных под винтовой конструкцией. После каждого удара происходит самопроизвольное восстановление толщины слоев за счет сил их собственной упругости.
Оценим эффект от потери кинетической энергии при ударе частицы о поверхность экрана.
2
1
Изменение кинетической энергии при ударе определяется как разность значений кинетических энергий в конце (Т) и начале (T) удара:
где m - масса частицы.
Но из равенств
следует, что
Подставляя значения квадратов скоростей  получим
Таким образом, при абсолютно упругом ударе (k=1) кинетическая энергия частицы не изменяется, а при k<1 происходит потеря кинетической энергии. Наибольшая потеря будет при абсолютно неупругом ударе, когда k=0. Уменьшение кинетической энергии при k<1 обусловлено переходом механической энергии в другие формы энергии (например, в тепловую).
Потеря кинетической энергии связана с потерянной скоростью частицы. Из равенства касательных составляющих скоростей  следует
Отсюда
и, следовательно,
Разность  называют потерянной скоростью.
При абсолютно неупругом ударе (k=0) из (11) получим
то есть потеря кинетической энергии равна кинетической энергии потерянной скорости. В общем случае потеря кинетической энергии составляет  долю кинетической энергии потерянной скорости.
Таким образом, становится очевидным, что винтовая поверхность обеспечит снижение кинетической энергии, передаваемой конструкции.
Кроме этого отметим, что немаловажным фактором обеспечения защиты космического аппарата является более высокий уровень вероятности разрушения частиц-ударников значительного размера, обусловленной:
- взаимодействием винтовой части конструкции внешнего фигурного экрана с частицей-ударником;
- преобразованием скоростных параметров летящей частицы-ударника с изменением направления ее движения.
При попадании во внешний фигурный экран частиц-ударников, имеющих более значительные или сопоставимые с экраном размеры, винтовые поверхности (выступы) внешнего фигурного экрана обеспечат:
- разрушение структуры частиц-ударников;
- закручивание кинетических ударников;
- отбрасывание частиц-ударников на периферийную часть окружающей космический аппарат зоны космического пространства.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет:
- обеспечить эффективную защиту космических аппаратов в случае воздействия высокоскоростных кинетических ударников;
- обеспечить защиту космических аппаратов при многоразовом воздействии кинетических ударников;
- обеспечить защиту конструкции космических аппаратов от воздействия кинетических ударников различного размера.
При использовании такой схемы защиты появляется возможность снизить разрушительные последствия прямого удара и изменить направление последующего движения частиц в сторону от космического аппарата.