ЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ОТ УДАРОВ ТЕХНОГЕННЫХ ЧАСТИЦ И МЕТЕОРОИДОВ
PROTECTIVE SCREEN OF SPACECRAFT AGAINST IMPACTS OF METEOROID AND MAN-MADE PARTICLES

Изобретение относится к космической технике, а именно к экранам для защиты космического аппарата от высокоскоростного ударного воздействия техногенных частиц и метеороидов.
В настоящее время для защиты космических аппаратов от высокоскоростных частиц используют различные защитные покрытия и экраны, при соударении с которыми эти частицы теряют свою энергию. Наиболее эффективная защита достигается установкой экрана на некотором расстоянии перед защищаемой стенкой. Экран обеспечивает фрагментацию системы ударник - преграда при космических скоростях удара, а поперечный разлет фрагментов после экрана - уменьшение плотности потока импульса на защищаемой стенке. Дальнейшим развитием этой технологии является использование нескольких разнесенных экранов, на каждом из которых частица теряет часть своей энергии и дробится на более мелкие фракции, расходящиеся за экраном.
Традиционно защитные экраны выполняются негибкими (например, патент РФ 2457160 от 03.03.2011, B64G 1/56), что препятствует их использованию в составе трансформируемых космических конструкций.
Для решения этой проблемы (в рамках создания трансформируемых космических модулей) американскими специалистами было предложено использование многослойной противометеороидной защиты, состоящей из тканевых защитных экранов и межэкранных разделителей. Такая противометеороидная защита встраивается в оболочку трансформируемого космического модуля и, по предварительным оценкам, обеспечивает требуемый уровень защиты от ударного воздействия метеороидов. Например, в трансформируемом космическом модуле TransHab, разрабатываемом HACA, защита от метеороидов обеспечивается с использованием пяти разнесенных экранов из тканевых слоев материала Nextel (Некстел), которые разделены дистанцирующими прокладками из пенопласта.
Наиболее близким аналогом к заявленному защитному экрану, выбранным в качестве прототипа, является тканевый защитный экран, состоящий из нескольких слоев технической ткани из высокопрочных волокон (Nextel (Некстел), Kevlar (Кевлар) и др.).
Описание конструкции изложено в статье «Inflatable Habitats» (авторы: Kriss J. Kennedy, Jasen Raboin, Gary Spexarth, Gerard Valle, NASA Johnson Space Center, Houston, Texas), опубликованной в издании «Paul Zarchan. Gossamer Spasecraft: Membrane and Inflatable Structures Technology for Space Applications // Reston, Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. ISBN 1-56347-403-4. 2001. С 527-529, 534-535, 545».
Задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, являются повышение эффективности защиты с одновременным обеспечением возможности защиты разворачиваемых в космосе трансформируемых объектов, в частности надувных космических модулей. При этом гибкость экрана позволяет существенно уменьшить его габаритные размеры в транспортном состоянии и на участке выведения за счет компактной укладки с последующим разворачиванием до рабочей конфигурации на орбите. Также обеспечивается возможность использования экрана для защиты космических аппаратов со сложной поверхностной конфигурацией.
3
Указанные задачи обеспечиваются тем, что предлагаемый защитный экран выполнен из композиционного материала, состоящего из мелкодисперсного наполнителя из частиц по крайней мере одного порошка тяжелого металла с плотностью не менее 6000 кг/м с характерным размером частиц от 5 до 500 мкм и связующего из эластичного полимера, при этом массовое содержание порошка в композите составляет от 0,4 до 0,9.
На фиг. 1 схематично изображена структура защитного экрана,
при этом:
1 - мелкодисперсный наполнитель;
2 - связующее из эластичного полимера.
3
Предлагаемый защитный экран из композиционного материала включает в себя мелкодисперсный наполнитель (1) (железо, медь, цинк, вольфрам и другие металлы с плотностью не менее 6000 кг/м), равномерно распределенные в связующем из эластичного полимера (2) (например, пропиточные композиции на основе кремнийорганических (силиконовых) или полиуретановых соединений). Массовое содержание порошка в композите должно находиться в диапазоне от 0,4 до 0,9. При массовом содержании порошка в композите менее 0,4 не обеспечивается эффективное дробление ударяющих в экран частиц; при содержании более 0,9 не обеспечиваются стойкость к образованию трещин и эластичность композита, что приводит к ухудшению защитных свойств экрана. Характерный размер частиц порошка должен находиться в диапазоне от 5 до 500 мкм. При характерном размере частиц порошка менее 5 мкм не достигается требуемое контактное давление на ударяющую частицу (ухудшаются защитные свойства экрана); при характерном размере более 500 мкм не обеспечиваются стойкость к образованию трещин и эластичность композита, что приводит к ухудшению защитных свойств экрана.
В структуру композита может быть дополнительно введен армирующий слой (например, ткани на основе стеклянных, лавсановых или органических волокон), обеспечивающий повышение стойкости данного композита к нагрузкам, возникающим на этапах складывания и разворачивания трансформируемой конструкции (раздир, сгибание).
Порошок тяжелого металла в структуре экрана обеспечивает повышенное (по сравнению с прототипом и сплошными экранами из алюминиевых сплавов) контактное давление на ударяющую частицу, что, при одинаковых условиях соударения, более эффективно дробит и разрушает частицу. Мелкодисперсная структура экрана обеспечивает отсутствие крупных осколков при пробивании экрана (по сравнению со сплошными металлическими экранами), а также обеспечивает формирование большего угла разлета мелкодисперсных фрагментов. Использование связующего из эластичного полимера обеспечивает гибкость (без трещинообразования после полимеризации), сопоставимую с тканевыми защитными экранами.
Были проведены испытания на пробой высокоскоростными частицами нескольких плоских фрагментов многослойной трансформируемой гермооболочки (МТГО) трансформируемого космического модуля. В состав МТГО входила противометеороидная защита, состоящая из четырех экранов из арамидной ткани (техническая ткань из высокопрочных волокон) и межэкранных разделителей из вспененного эластичного открытопористого материала. По результатам испытаний был определен наименьший диаметр частицы, обеспечивающий сквозное пробивание МТГО при скоростях соударения около 7 км/с. Замена первого (со стороны удара) противометеороидного экрана из арамидной ткани на эквивалентные по массе пластины из композитов с порошками, например, вольфрама или цинка в полимерной матрице (два варианта заявляемого защитного экрана) позволила достичь отсутствия сквозного пробоя (целостность защищаемой гермооболочки) при тех же условиях.