Моделирование ударного взаимодействия высокоскоростных частиц с элементами конструкции экранной защиты космического аппарата

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

В.И. Колпаков, Т.В. Васильева

Моделирование ударного взаимодействия  
высокоскоростных частиц с элементами  
конструкции экранной защиты  
космического аппарата 

Методические указания  
к выполнению лабораторной работы

УДК 629.78
ББК 39.66
 
К61

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/258/book1702.html

Факультет «Специальное машиностроение»
Кафедра «Технологии ракетно-космического машиностроения»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия 

Рецензент канд. техн. наук В.А. Велданов

Колпаков, В. И.
К61  
Моделирование ударного взаимодействия высокоскоростных частиц с элементами конструкции экранной защиты космического аппарата : методические указания к выполнению 
лабораторной работы / В. И. Колпаков, Т. В. Васильева.  — 
Мос ква : Издательство МГТУ им. Н. Э. Бау мана, 2017. — 
56,  [4] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4744-2
Изложены основные принципы расчета стойкости элементов защитных конструкций современных космических аппаратов под действием ударных нагрузок высокоскоростных метеороидных частиц 
и осколков космического мусора. Даны методические рекомендации 
по их практическому применению. 
Для студентов старших курсов и аспирантов.

УДК 629.78
ББК 39.66

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4744-2 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

Предисловие

В связи с развитием различных видов ракетно-космических систем гражданского и военного назначения постоянно расширяется 
круг задач, связанных с необходимостью исследования поведения 
материалов и конструкций в условиях высокоскоростного удара. 
Поэтому изучению процессов высокоскоростных взаимодействий 
тел (ударников) с разнообразными преградами посвящено множество работ теоретического и экспериментального плана. При этом 
в значительной части современных научных исследований рассматриваются вопросы обеспечения безопасности эксплуатации различных технических устройств, например космических аппаратов 
(КА), в условиях соударения с высокоскоростными частицами космического мусора (осколки и обломки разрушенных космических 
объектов — спутников, ступеней ракетоносителей и т. п.).
Цель настоящей работы — изучение высокоскоростного взаимодействия микрочастиц с элементами конструкции защиты КА 
посредством имитационного моделирования процесса. Такое исследование является важным звеном обоснования конструктивных 
параметров элементов современной экранной защиты от ударного 
воздействия метеороидов и осколков космического мусора (ОКМ) 
на этапе ее конструктивно-технологического проектирования. В методических указаниях рассматривается модельный пример высокоскоростного столкновения частицы массой 1 г, движущейся со 
скоростью 2…15 км/с, с двухслойной преградой из алюминиевых 
сплавов. Его практическая реализация осуществляется с использованием численных методов механики сплошной среды в программном комплексе ANSYS — AUTODYN. 
Примеры оформления расчетов ударного взаимодействия микрочастиц с различными параметрами экранной защиты приведены 
в приложениях 1–5.

Введение

На ранних этапах освоения околоземного космического пространства (ОКП) проблема столкновений КА с метеороидами была 
второстепенной по сравнению со многими другими опасностями. 
Однако с повышением активности человека в ОКП ситуация изменилась. Отработавшие ступени ракет и вышедшие из строя спутники являются техногенным «космическим мусором», и его количество растет с каждым годом. Проблема также обостряется столкновениями таких объектов между собой. 
Увеличение количества КА и их размеров усугубляет опасность 
техногенного засорения околоземной среды. Постоянно действующая Международная космическая станция (МКС) является наиболее уязвимой мишенью для космического мусора. 
Крупные космические объекты систематизированы в специальных каталогах и для защиты МКС от столкновения с ними используется маневр уклонения путем корректировки орбиты. 
Мелкие частицы космического мусора также представляют 
опасность для космических объектов. Защита от них в настоящее 
время осуществляется путем введения в конструкцию модулей 
специальных защитных экранов (щитов Уиппла). 
Проектирование, отработка и подтверждение эффективности 
экранной защиты — актуальная задача современной космонавтики. 
Основные сложности ее решения обусловлены двумя причинами: 
жесткие весовые ограничения и высокие скорости соударения. Скорость соударения КА с метеороидами и ОКМ варьирует в диапазоне 
2…70 км/с, причем наиболее опасные столкновения с ОКМ происходят на скоростях до 15 км/с, при среднем значении около 10 км/с. 
Защита от ударов с такими скоростями не может базироваться на 
принципах бронезащиты, а методы расчета и испытаний требуют 
привлечения физических моделей и экспериментальной техники, 
отличающихся от распространенных методов прочностных расчетов и испытаний.
Стимулированные проектами долговременных орбитальных 
станций и начатые в 1992 г. NASA и минобороны США наблюдения 

во многом прояснили обстановку с ОКМ на околоземных орбитах. 
В настоящее время сеть космического мониторинга космического 
командования США ведет непрерывные радарные и электронно-оптические наблюдения в пространстве между околоземными и геостационарными орбитами. В диапазоне от 1 мкм до 10 см были зафиксированы объекты самого разнообразного происхождения, в том числе 
продукты истечения твердотопливных двигателей, утечка жидких 
теплоносителей орбитальных ядерных реакторов, продукты деградации поверхностей КА в жестких условиях космической среды.
Результаты исследований специалистов России, США, Франции, Германии, Японии свидетельствуют о прогрессивном характере процесса засорения космоса. В настоящее время наиболее засорено ОКП на высотах 800, 1000 и 1500 км и с учетом ее малой 
рабочей емкости — геостационарная орбита. Причем это орбиты, 
наиболее интенсивно используемые для размещения КА.
Изменение состояния техногенной засоренности ОКП с начала 
космической эры и до настоящего времени (в части крупных, каталогизированных космических объектов) иллюстрирует диаграмма, 
приведенная на рис. 1 [1]. Диаграмма построена по данным ката
Рис. 1. Изменение содержания космического мусора в ОКП:
1 — общее число космических объектов, занесенных в каталоги; 2 — фрагменты 
космического мусора, образовавшиеся в результате взрывов и других разрушений; 
3 — КА; 4 — эксплуатационный мусор; 5 — ракетоносители

лога службы контроля космического пространства США на январь 
2011 г. Резкий скачок числа обнаруженных и каталогизированных 
космических объектов, приходящийся на 2007 год, вызван взрывом 
китайского КА «Фенгюн». 
Кроме каталогизированных и регулярно наблюдаемых космических объектов в ОКП находится огромное количество мелких (но 
не менее опасных), как правило, не видимых радиолокационными 
и оптическими средствами наблюдения частиц — порядка полумиллиона размером 10…100 мм и десятки миллионов размером 
1…10 мм. Количество еще более мелких частиц в ОКП исчисляется 
уже миллиардами и триллионами [1]. Расчетные данные показывают, что популяция космических объектов размером от 5 до 10 мм составляет около 80 % общего количества частиц размером более 5 мм 
[1]. С этой «мелочью» необходимо считаться, так как ее опасность 
определяется не столько размерами, сколько скоростью.
Достоверно установлено, что основную опасность представляют мелкие частицы, число которых резко увеличивается по мере 
уменьшения размеров. В настоящее время опасность столкновения 
крупного КА с частицами размером около 10 мм стала вполне реальной, и ее необходимо учитывать в процессе проектирования и 
эксплуатации аппаратов. Например, для такого объекта, как МКС, 
вероятность столкновения с частицами размером более 10 мм в течение 10 лет составляет несколько процентов. Для описания характеристик техногенного засорения ОКП мелкими объектами, относительно которых отсутствуют детальные сведения об элементах их 
орбит, применяют методы статистического моделирования.
Наряду с облаком техногенных осколков ОКП пронизывают потоки естественных метеороидных частиц. Вероятность попадания 
метеороида размером около 10 мм массой порядка 1 г существенна для масштабных и долговременных космических систем типа 
МКС. Скорости удара находятся в диапазоне 1…16 км/с для ОКМ и 
11…72 км/с для метеороидов.
Обеспечение стойкости конструкций КА к высокоскоростным 
ударам регламентировано государственными и отраслевым стандартами. В соответствии с принятыми требованиями вероятность 
непробоя гермооболочек модулей МКС в течение 15 лет должна 
составлять не менее 0,976. Этот показатель может быть достигнут 
только за счет применения специальных конструктивных мер — 
защитных экранов, вводимых в конструкцию модулей станции на 
стадии ее проектирования. Сегодня многие лаборатории в США и 
Европе располагают большим количеством разнообразного обору