Экран для защиты космического аппарата от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды
SCREEN FOR SPACECRAFT PROTECTION FROM HIGH SPEED IMPACT ACTIONS OF THE SPACE ENVIRONMENT PARTICLES

Экран для защиты космического аппарата от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды относится к космической технике, а именно к средствам для защиты космических аппаратов (КА) от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды - метеороидов - космических тел, промежуточных по размерам между межпланетной пылью и астероидами, и техногенных частиц космического мусора (КМ).
В настоящее время для защиты КА от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды используют различные защитные покрытия и экраны, при соударении с которыми эти частицы теряют свою энергию.
Известно применение водяного льда в качестве защитного покрытия КА от механических повреждений на орбите (патент РФ 2265562, приоритет от 08.09.2003) или покрытия, содержащего прослойку из пористого материала, заполненную водяным льдом либо водно-ледяной смесью (патент РФ 2258641, приоритет от 18.11.2003). Указанные устройства могут частично восстанавливаться после столкновения с микрометеоритами, в том числе с мелкомасштабными фрагментами космического мусора, что позволяет обеспечить защиту КА от указанных объектов, если они не обладают слишком большой скоростью и массой, в том числе КА, постоянно находящихся на низких орбитах. Однако такие устройства не обеспечивают достаточную надежность и стойкость к разрушению, особенно при воздействии интенсивных тепловых потоков, в том числе солнечного излучения, или требуют проведения восстановительных работ в условиях космического полета.
Известно устройство для защиты КА от метеорных частиц, содержащее многослойный сетчатый металлический экран с изоляционным слоем, расположенный на расстоянии от корпуса КА, и расположенный на корпусе КА диэлектрический экран с электропроводящим слоем (патент РФ 2128609, приоритет от 10.04.1999). Устройство снабжено системой энергопитания для создания разности потенциалов между выносным экраном и корпусом КА и обеспечивает преобразование кинетической энергии метеорной частицы, после ее взаимодействия с выносным экраном, в кинетическую энергию потока осколков метеорной частицы и экрана, и в тепловую энергию потока плазмы, при этом образовавшиеся осколки испаряют за счет энергии электрического разряда в плазме при разности потенциалов, величину которой определяют по предложенной математической зависимости. Таким образом, наличие электростатической защиты позволяет снизить пробивную способность метеорных частиц, и соответственно, увеличить живучесть и срок активного существования КА, а также повысить надежность его эксплуатации. Однако необходимость дополнительных затрат электроэнергии и наличия соответствующего оборудования, а также использование специального диэлектрического экрана усложняет конструкцию КА и ухудшает его массово-энергетические характеристики. Кроме того, эффективность работы устройства нуждается в экспериментальном подтверждении.
Известно устройство для защиты КА и станций от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды, содержащее защитный экран в виде ячеистой конструкции, выполненной в виде несущей основы, в качестве которой может быть использована сетка, и массивные компактные элементы, закрепленные в узлах сетки (патент РФ 2299839, приоритет от 08.12.2005). Предлагаемая конструкция экрана позволяет повысить эффективность защиты КА и уменьшить массу защитной конструкции за счет более эффективной фрагментации воздействующих частиц космической среды, однако экран трудоемок в изготовлении и не обеспечивает достаточной надежности и стойкости к разрушению из-за неравнопрочности конструкции.
Наиболее близким аналогом к заявленному устройству, выбранным в качестве прототипа, является экран для защиты космического аппарата от высокоскоростного ударного воздействия метеороидов, содержащий ячеистую конструкцию из металлической сетки (патент РФ 2457160, приоритет 03.03.2011). Экран собирают из ячеек, каждая из которых имеет форму правильного многоугольника и выполнена из двух слоев металлической сетки, обжатых по периметру п-образными металлическими полосками, причем, по крайней мере, в одном из слоев металлической сетки выполнены пуклевки, выпуклости которых контактируют с другим слоем. Ячейки сшиты между собой металлической проволокой. Кроме того, пуклевки могут быть выполнены на внутреннем слое экрана и обращены своими выпуклостями в сторону наружного слоя экрана. Рекомендуемый зазор между слоями экрана составляет 10 мм. Пуклевки могут быть выполнены в форме сферического сегмента, радиус которого R≥Н, где Н - расстояние между слоями экрана (мм), и равномерно размещены по площади ячейки с шагом 30 см. Металлическая сетка выполнена из проволоки из нержавеющей стали диаметром 0,3-0,34 мм с размером ячеек 0,5-0,9 мм, ячейки сшиты проволокой из нержавеющей стали диаметром 0,3-0,34 мм.
Данная конструкция экрана позволяет повысить эффективность защиты и уменьшить массу экрана при его использовании для защиты крупногабаритных элементов КА (в том числе, имеющих сферическую форму). Однако, поскольку экран собирается из ячеек (многоугольников) размером несколько десятков см каждая и требует наличия дополнительных точек опор со стороны защищаемой конструкции, то его применение для защиты малогабаритных элементов КА не обеспечивает достаточна эффективности ввиду технологических сложностей и относительно большой массы экрана.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение эффективности экрана при уменьшении его массы.
Указанная задача обеспечивается тем, что в отличие от известного экрана для защиты космического аппарата от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды, содержащего ячеистую конструкцию из металлической сетки, новым является то, что металлическая сетка выполнена гофрированной, при этом гофры расположены параллельно с шагом, в 2-3 раза превышающим толщину проволоки сетки, а высота гофров в 3-5 раз превышает минимальный характерный размер высокоскоростных частиц космической среды, воздействующих на космический аппарат. Кроме того, что экран снабжен вторым слоем металлической сетки, у которого ориентация гофров перпендикулярна ориентации гофров первого слоя экрана.
Выполнение металлической сетки гофрированной, с параллельным расположением гофров, у которых шаг в 2-3 раза превышает толщину проволоки сетки, а высота в 3-5 раз превышает минимальный характерный размер высокоскоростных частиц космической среды, воздействующих на космический аппарат, обеспечивает эффективное разбиение указанных частиц на более мелкодисперсные составляющие, и, соответственно, повышение защитных свойств экрана при уменьшении ее массы.
Снабжение экрана вторым слоем металлической сетки, у которого ориентация гофров перпендикулярна ориентации гофров первого слоя экрана, обеспечивает, в необходимых случаях, дополнительное усиление защитных свойств экрана.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
Фиг. 1 - общий вид экрана;
a
a
0
0
0
0
Фиг. 2 - пример взаимодействия алюминиевого ударника диаметром 1,7 мм со стальной сеткой с базовыми размерами: =0,5 мм, d=0,32 мм, где , d - шаг и диаметр проволоки сетки; удар по нормали (к экрану и защищаемой конструкции) на скорости 5 км/с в начальный момент времени (t=0);
a
0
0
Фиг. 3 - результат численного моделирования соударения для сеточной преграды базовой конфигурации (, d) в момент времени t=1 мкс; показана степень поврежденности неразрушенной части ударника;
0
0
Фиг. 4 - картина облака осколков для сеточной преграды базовой конфигурации (a, d) в момент времени t=5 мкс, построенная методом численного моделирования;
0
Фиг. 5 - наклонный участок гофрированной сетки (угол наклона 45° к плоскости защищаемой стенки) базового типоразмера, с увеличением шага сетки в 1,4142 раза: , d; удар по нормали (к защищаемой конструкции) на скорости 5 км/с в начальный момент времени (t=0);
Фиг. 6 - результат численного моделирования соударения для сеточной преграды с увеличением шага сетки в 1,4142 раза в момент времени t=1,4107 мкс; показана степень поврежденности неразрушенной части ударника;
Фиг. 7 - картина облака осколков для соударения с наклонной сеткой в момент времени t=5 мкс.
a
0
Фиг. 8 - наклонный участок гофрированной сетки (угол наклона 45° к плоскости защищаемой стенки) базового типоразмера с уменьшением диаметра проволоки в 1,1892 раза: ; ; удар по нормали (к защищаемой конструкции) на скорости 5 км/с в начальный момент времени t=0);
Фиг. 9 - результат численного моделирования соударения для сеточной преграды с уменьшением диаметра проволоки в 1,1892 раза в момент времени t=1,4023 мкс; показана степень поврежденности неразрушенной части ударника;
Фиг. 10 - картина облака осколков для соударения с наклонной сеткой с уменьшением диаметра проволоки в момент времени t=5 мкс.
Экран 1 для защиты КА от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды содержит ячеистую конструкцию из металлической сетки 2. Металлическая сетка выполнена гофрированной. Гофры 3 расположены параллельно с шагом d, в 2-3 раза превышающим толщину t проволоки сетки, а высота h гофров в 3-5 раз превышает минимальный характерный размер высокоскоростных частиц космической среды, воздействующих на космический аппарат. Экран может быть снабжен вторым слоем 4 металлической сетки, у которого ориентация гофров перпендикулярна ориентации гофров первого слоя 3 экрана. Металлическая сетка может быть выполнена из проволоки из нержавеющей стали диаметром 0,30-0,35 мм с шагом 0,6-0,8 мм.
На Фиг. 1 представлена общая схема действия защитного экрана из гофрированной сетки. Экран из проволочной сетки 2, предназначенный для разбивания налетающей частицы 5 на более мелкие фрагменты, располагается перед защищаемой поверхностью 1. Сетка выполнена из пересекающихся под прямым углом проволок. В местах наложения проволоки образуются локализованные области сеточного экрана с большей толщиной металла. Эти утолщенные области способствуют более эффективному разбиению частицы, увеличивая продолжительность воздействия на нее ударной нагрузки. При этом, благодаря гофрированию, на наиболее опасном направлении удара (по нормали к защищаемой поверхности, как показано на Фиг. 1) частица встречает на своем пути большее количество проволоки, расположенной параллельно волне гофра, что значительно повышает защитные свойства экранной конструкции при снижении ее массы.
В общем случае данное защитное устройство должно быть установлено по нормали к наиболее угрожаемому направлению воздействия частиц. При необходимости усиления защитных свойств экрана посредством использования экрана из двух слоев гофры, ориентированных во взаимно перпендикулярных направлениях, останки частицы, летящей под наклоном к экрану и входящей в секцию гофры перпендикулярно, столкнутся с гофрами второй сетки, которые будут ориентированы к остаткам этой частицы под существенным наклоном, что значительно усилит эффект рассеивания частиц.
a
a
0
0
0,
0
Результат взаимодействия алюминиевого ударника диаметром 1,7 мм со стальной сеткой с базовыми размерами: =0,5 мм, d=0,32 мм, где  d - шаг и диаметр проволоки сетки, показан на Фиг. 2-4. Удар происходит по нормали (к экрану и защищаемой конструкции) на скорости 5 км/с.Согласно результатам численного моделирования, показанным на Фиг. 4, ударник расплющен, но он сохранил свою целостность. Степень разрушения ударника (масса осколков) составляет 31%.
0
Высокоскоростной удар по наклонному участку гофрированной сетки проиллюстрирован на Фиг. 5-7. На Фиг. 5 показан наклонный участок гофрированной сетки (угол наклона 45° к плоскости защищаемой стенки) базового типоразмера, с увеличением шага сетки в 1,4142 раза: ; d. Удар частицы идет в нормальном направлении к защищаемой конструкции, находящейся за сеткой (не показана). На Фиг. 6 показана степень поврежденности неразрушенной части ударника для наклонной сеточной преграды с увеличением шага. Картина облака осколков для соударения с наклонной сеткой в момент времени t=5 мкс показана на Фиг. 7. Часть ударника, сохранившая целостность, имеет весьма рыхлую структуру. Часть осколков рикошетировала от преграды. Процент разрушения ударника (масса осколков) 71%.
a
0
Высокоскоростной удар по наклонному участку гофрированной сетки базового типоразмера, с уменьшением диаметра проволоки в 1,1892 раза: ;  проиллюстрирован на Фиг. 8-10.
Наклонный участок гофрированной сетки данной конфигурации (угол 45°) в первоначальном положении (до удара) показан на Фиг. 8.
Степень поврежденности неразрушенной части ударника для наклонной сеточной преграды с уменьшением диаметра проволоки показана на Фиг. 9.
Картина облака осколков в момент времени t=5 мкс показана на Фиг. 10. Для данной сетки дисперсность возрастает - осколочное поле распределено более равномерно и осколки практически не обгоняют неразрушенную часть. Процент разрушения ударника (масса осколков) 76%.
Предлагаемое изобретение позволяет повысить степень фрагментации высокоскоростных частиц космической среды, оказывающих ударное воздействие на КА, что увеличивает разрушающее воздействие экрана, и, соответственно, повышает эффективность защиты и способствует уменьшению массы экрана.