Устройство для защиты космического аппарата от микрометеороидов
DEVICE FOR PROTECTING SPACECRAFT FROM MICROMETEOROIDS

Изобретение относится к области обеспечения долговременной устойчивости космической деятельности и может быть использовано для защиты космического аппарата от столкновения с микрометеороидами (ММ) или с мелкодисперсной фракцией частиц космического мусора (КМ) (размер от 1 мкм до 5 мм).
Известно защищенное патентом изобретение аналог: заявка №2003127170/11 B64G 1/56 от 08.09.2003 «Применение водяного льда в качестве защитного покрытия космических объектов от механических повреждений на орбите» (Глухих И.Н., Челяев В.Ф., Щербаков А.Н., и др.). В качестве защитного покрытия космического корабля предложено применение покрытия из водяного льда (или водо-ледяной смеси). Технический результат реализации изобретения заключается в расширении арсенала защитных покрытий космических аппаратов, длительное время находящихся на орбите, где присутствуют мелкодисперсные механические частицы (пыль, мелкие фрагменты КА и т.п.).
Данные устройства обеспечивают защиту космического аппарата (КА) от столкновения с микрометеоритами, мелкими фрагментами космического мусора, если они не обладают слишком большой скоростью и массой. Кроме того, при воздействии тепловых потоков данное покрытие не обеспечивает достаточную надежность и стойкость при механических воздействиях.
Известно защищенное патентом изобретение аналог: патент №2299838, B64G 1/56 от 08.12.2005 «Устройство для защиты космических аппаратов и станций от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды» (Кононенко М.М., Малкин А.И., Шумихин Т.А.).
Предлагаемое устройство содержит защитный экран ячеистой конструкции. Ячеистая конструкция защитного экрана представляет собой дискретно расположенные и закрепленные на несущей основе компактные массивные элементы. Компактные массивные элементы выполнены из плотного материала. Размер ячейки данной конструкции защитного экрана не превышает половины, а размер компактного массивного элемента - одной четверти минимального характерного размера опасной частицы. В качестве несущей основы может быть использована сетка. В этом случае компактные массивные элементы закреплены в узлах сетки. В качестве несущей основы может применяться легкая ткань или нетканый материал низкой плотности. В качестве плотного материала компактных массивных элементов могут быть использованы алюминий, сталь, медь или композиционный материал, содержащий вольфрам или сплав вольфрам-никель-железо. Предлагаемое устройство позволяет обеспечить достаточную глубину проникновения элементов конструкции защитного экрана в ударяющую частицу и тем самым осуществить ее разрушение. Устройство работает только для частиц определенного размера. Кроме того, экран трудоемок в изготовлении и не обеспечивает достаточной надежности и стойкости к разрушению из-за не равнопрочности конструкции.
Известно защищенное патентом изобретение аналог: патент №2457160, B64G 1/56 от 27.07.2012 «Экран для защиты космического аппарата от высокоскоростного ударного воздействия метеороидов» (Тулин Д.В., Клишин А.Ф., Добрица Д.Б., Чухлов В.Д.). Экран содержит ячеистую конструкцию из металлической сетки. Экран выполнен сборным из ячеек, каждая из которых имеет форму правильного многоугольника и выполнена из двух слоев металлической сетки, обжатых по периметру п-образными металлическими полосками. В одном из слоев металлической сетки выполнены пуклевки - выпуклости, которые контактируют с другим слоем. Ячейки сшиты между собой металлической проволокой. Достигается уменьшение веса защитного экрана. Технология изготовления экрана требует объединения ячеек и наличия дополнительных точек опор со стороны защищаемой конструкции, что усложняет технологию изготовления экрана. К недостатку данного экрана следует отнести его большую массу, что не позволяет его применение для защиты малогабаритных элементов КА.
Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2623782 B64G 1/56 от 29.06.2017 «Экран для защиты космического аппарата от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды» (Добрица Д.Б., Герасимов А.В., Пашков С.В., Христенко Ю.Ф.). Экран содержит ячеистую конструкцию из гофрированной металлической сетки. Гофры сетки расположены параллельно с шагом, в 2-3 раза большим толщины проволоки сетки. Высота гофров в 3-5 раз превышает минимальный характерный размер соударяющихся с КА частиц. Экран может быть выполнен двухслойным, с ориентацией гофров второго слоя перпендикулярно гофрам первого слоя. Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности защиты КА от высокоскоростных частиц путем увеличения степени фрагментации этих частиц без возрастания массы экрана. Данное устройство можно использовать лишь для частиц космической среды, размер которых должен быть в 3-5 раз меньше размера гофры. Недостатком данного экрана является технологическая сложность и значительные массовые затраты на его изготовление.
Известно защищенное патентом изобретение - прототип патент №2680359 от 19.02.2019, B64G 1/56 (2006.01) «Устройство для защиты космического аппарата от высокоскоростного ударного воздействия частиц космического мусора» (авторы Архипов В.А., Яковлев М.В. и др.). Устройство выполнено в виде двухслойного защитного экрана, каждый слой выполнен в виде гребенки из перфорированной алюминиевой конструкции с конусообразными элементами, на вершины конусов нанесено покрытие из твердого сплава или композиционного материала, полости между конусами заполнены углерод-углеродным материалом.
Недостатком данного технического решения является:
- недостаточное количество слоев для обеспечения соударения частиц КМ и ММ с вершиной конусообразных элементов, хотя бы с одной из гребенок;
- не учитывается распределение вероятностей углов падения частиц КМ и ММ на корпус КА для рабочей орбиты КА;
- низкая эффективность передачи тангенциальной составляющей импульса частицы.
Целью изобретения является создание экрана КА для защиты от воздействии мелкодисперсной фракцией частиц космического мусора или микрометеороидов с учетом его рабочей орбиты,
Техническим результатом является повышение безопасности космических аппаратов при воздействии на них микрометеороидов или мелкодисперсной фракции частиц космического мусора.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство экрана для защиты космических аппаратов от ударного воздействия мелкодисперсной фракции частиц космического мусора и микрометеороидов, выполняется в виде многослойного пакета. Конструкция защитного экрана (фигура), состоит из расположенных параллельно друг другу слоев гребенок из перфорированной алюминиевой конструкции (2). Гребенки имеют зубцы конусообразной формы. Вершины зубцов покрыты твердым сплавом (3), а пространство между ними заполнено углерод углеродным материалом (4) для увеличения жесткости и прочности экрана. Экран снабжен дополнительным слоем полимерного материала (1). Зубцы гребенок экрана имеют наклон вертикальной оси в вероятном направлении подлета микрометеороидов к космическому аппарату исходя из параметров его орбиты. Соседние гребенки смещены относительно друг друга так, что при вероятном направлении движения микрометеороидов к космическому аппарату обеспечивается их гарантированное соударение хотя бы с одной из вершин зубцов гребенок. Углы при вершинах конусов могут варьироваться в определенных пределах, а сами вершины конусов указанных алюминиевых слоев наклонены на угол, зависящий от орбиты нахождения КА, и сдвинуты относительно друг друга в горизонтальной плоскости, чтобы минимизировать прохождение микрометеороидов через экран без взаимодействия с вершинами конусов, как показано на фигуре. Экран установлен на космическом аппарате через слой углерод - углеродного материала, Данная конструкция обладает высокой экранирующей способностью.
Обоснование практической реализуемости заявляемого «Устройства для защиты космического аппарата от воздействия микрометеороидов» и мелкой фракции частиц космического мусора заключается в следующем.
При воздействии ММ или частиц КМ особенности конструкции защитного экрана оказывают существенное влияние на соотношение между интегральными величинами кинетической и внутренней энергии первичной и вторичных частиц, и на перераспределение их энергии с учетом массы, элементного состава частиц и защитного материала, а также угла падения налетающих частиц, их скорости соударения и разрушенной части экрана.
Качество защиты определяется эффективностью дробления налетающей частицы (характерным размером фрагментов разрушения), величиной угла разлета ее фрагментов (поперечным импульсом, приобретенным фрагментами частицы в результате ее ударного разрушения), а также пробегом частицы через материал, из которого изготовлен экран.
В работе D.E. Grady, N.A. Winfree. Impact fragmentation of high - velocity compact projectiles on thin plates: a physical and statistical characterization of fragment debris. Int. J. ImpactEng. 26 (2001), 249-262 и патенте №2680359, отмечено, что из-за низкой эффективности передачи тангенциальной составляющей импульса частицы при столкновении ее с плоской преградой практически не происходит внедрения элементов преграды в тело частицы (что способствовало бы ее разрушению). Совершенно другая картина наблюдается в многослойной конструкции защитного экрана (фигура), представляющую алюминиевую конструкцию с конусообразными элементами, вершины которых выполнены с повышенной твердостью (за счет покрытия из твердого сплава или композиционного материала, например, на основе графита), что позволяет вершинам защитного экрана при соударении с частицами ММ проникать в их структуру. В представляющем интерес диапазоне скоростей соударения (для геостационарных орбит (ГСО) скорость соударения составляет ~ 1 км/сек, а для низких околоземных орбит (НОО) может достигать значения ~10 км/сек) и для частиц рассматриваемого размера (менее 5 мм), внедрение вершины конуса в частицу происходит по механизму кратерообразования, описанного в патенте №2680359. Суть его заключается в том, что основная часть энергии налетающей частицы расходуется на разрушение самой частицы с образованием более мелкой фракции, разлетающейся от защитного экрана в поперечном направлении.
Распределение вероятностей углов падения частиц КМ и ММ на корпус КА зависят от орбиты нахождения космического объекта и соответствуют распределению Гаусса [А.И. Назаренко «Моделирование космического мусора» (ИКИ РАН, 2013, 216 с., ISBN 978-5-9903101-6-2)]. Согласно данным работы [Космический мусор, в 2 кн., Кн. 1. Методы наблюдения и модели космического мусора / Под. науч. ред. д.т.н., проф. Г.Г. Райкунова. - М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2014. -248 с. - ISBN 978-5-9221-1503-2] для низких околоземных орбит (менее 2000 км) с наибольшей вероятностью углы подлета частиц космического мусора к КА составляют от 60° до 120°, а для ГСО наиболее вероятные углы подлета частиц космического мусора к КА составляют от 150° до 210° в зависимости от орбиты нахождения космического аппарата. Учитывая выше сказанное, целесообразно, для выбранной орбиты, на которой планируется использовать космический аппарат, алюминиевые конуса защитного экрана изготовлять с наклоном на угол, соответствующий максимальной вероятности воздействия частиц КМ и ММ, то есть направление вершин конусов должно быть противоположно направлено потоку частиц ММ и КМ. Кроме того, вершины конусов алюминиевых слоев, рассматриваемого пакета, сдвигают относительно друг друга в горизонтальном направлении, чтобы минимизировать прохождение частиц КМ и ММ через экран без взаимодействия с вершинами конусов, как показано на фигуре 1.
Выбор оптимального экрана для защиты от ММ определяется орбитой нахождения космического аппарата, которой соответствует определенная плотность распределения потока частиц, а также распределения по размерам, скоростям и направлениям соударений ММ и частиц КМ с КА. Исходя из данных условий, определяются: угол вершины конуса, наклоны вертикальной оси вершин конуса (в соответствии с рассчитанной дисперсией и математическим ожиданием потока частиц для заданной орбиты), количество алюминиевых слоев в экране, величина сдвига каждого последующего алюминиевого слоя относительно предыдущего.
Выбор в качестве дополнительного слоя полимерного материала перед каждым алюминиевым слоем обусловлен следующим.
На начальном этапе в теле налетающей частицы формируется канавка (кратер), вытянутая в направлении вершины конуса, который деформируясь, заполняет ее вместе с элементами полимерного материала. Передача импульса налетающей частицы от внедряющейся вершины конуса защитного экрана по нормали передается стенкам канавки самой налетающей частицы, способствуя, тем самым, ее разлету в поперечном направлении, что происходит по сравнительно быстрому механизму. Эффект усиливается за счет перехода в газофазное состояние элементов полимерного материала, попадающего в канавку с поверхности экрана. Слой из полимерного материала позволяет повысить эффективность защитного экрана за счет более высокого давления, возникающего в кратере частицы из-за перехода полимерного материала в газовую фазу. Толщина слоя из полимерного материала может составлять ~ 5÷20 микрон, что не приведет к существенным изменениям массовых характеристик защитного экрана. Экран устанавливается на космическом аппарате через слой углерод - углеродного материала, что позволяет повысить эффективность защитного экрана за счет высокой ударной прочности и твердости данного материала и способствует снижению пробега микрометеороидов в рассматриваемой конструкции.
Таким образом, изобретение позволяет усилить разрушающее воздействие на налетающие микрометеороиды или на мелкодисперсную фракцию частиц космического мусора. Техническая возможность реализации и практическое использование заявляемой конструкции экрана не вызывает сомнений.