Моделирование воздействия объекта малого космического мусора на защитный экран трансформируемой ловушки

Рост количества объектов космического мусора, особенно малых, не обнаруживаемых средствами радиолокации, требует создания средств защиты ответственных спутников и космических станций от соударения с ними. Наибольшую эффективность имеют пассивные средства защиты, основанные на использовании многослойных экранов. Вследствие больших размеров экранов для их создания целесообразно использовать гибкие композиционные материалы, позволяющие развертывать их на орбите. Проведено исследование по определению нагрузок, действующих на композитный силовой каркас ловушки малого космического мусора и возникающих при ее пробитии. Для рационального выбора конструктивно-компоновочной схемы ловушки и оптимизации параметров ее конструкции необходимо знать эти нагрузки. Высокоскоростное взаимодействие ударника с экраном смоделировано в программном пакете Altair Radioss с использованием комбинированной модели на основе метода сглаженных частиц (SPH) и сеточных конечных элементов. Проведено моделирование пробития экрана в различных точках. Для каждого расчетного случая определена зависимость силы реакции в узле крепления защитного экрана к силовому каркасу от времени. Показано, что при размере объекта мусора 10 мм и скорости его движения 2 км/с максимальная сила реакции, возникающая в ближайшем к месту пробития узле крепления, составляет около 2000 Н, а время ее действия — около 6 мс.

Литература

[1] Adushkin V., Veniaminov S., Kozlov S., et al. Natural and technogeneous contamination of near-Earth space. Acta Astronaut., 2017, vol. 135, pp. 6–9, doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2016.12.038

[2] Space debris by the numbers. esa.int: веб-сайт. URL: https://www.esa.int/Safety_Security/Space_Debris/Space_debris_by_the_numbers#.YBVOzBwF7wE.link (дата обращения: 04.02.2021).

[3] Адушкин В.В., Аксенов О.Ю., Вениаминов С.С. и др. О популяции мелкого космического мусора, ее влиянии на безопасность космической деятельности и экологию Земли. В: Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы. Москва, ИКИ РАН, 2019, с. 20–32, doi: https://doi.org/10.21046/spacedebris2019-20-32

[4] Соколов В.Г., Горбенко А.В. Анализ последствий повреждения конструкции Российского сегмента МКС, вызванного столкновением с осколком космического мусора. Космическая техника и технологии, 2019, № 4, с. 65–76.

[5] Putzar R., Zheng S., An J., et al. A stuffed Whipple shield for the Chinese space station. Int. J. Impact Eng., 2019, vol. 132, art. 103304, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2019.05.018

[6] Cherniaev A., Telichev I. Weight-efficiency of conventional shielding systems in protecting unmanned spacecraft from orbital debris. J. Spacecr. Rockets, 2017, vol. 54, no. 1, pp. 75–89, doi: https://doi.org/10.2514/1.A33596

[7] Добрица Д.Б., Пашков С.В., Христенко Ю.Ф. Исследование эффективности сеточных гофрированных экранов для защиты космических аппаратов от воздействия метеорно-техногенных частиц. Космические исследования, 2020, т. 58, № 2, с. 131–137, doi: https://doi.org/10.31857/S0023420620020028

[8] Perepelkin K.E. High-strength, high-modulus fibres made from linear polymers: principles of fabrication, structure, properties, and use. Fibre Chem., 2010, vol. 42, no. 3, pp.129–142, doi: https://doi.org/10.1007/s10692-010-9239-2

[9] Зеленцов В.В. Защита космического аппарата от воздействия фрагментов мелкого космического мусора. Наука и образование: научное издание, 2015, № 6, URL: http://engineering-science.ru/doc/778339.html

[10] Selivanov V.V., Gryaznov E.F., Goldenko N.A., et al. Numerical simulation and experimental study of explosive projectile devices. Acta Astronaut., 2017, vol. 135, pp. 56–62, doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.01.042

[11] Воронов К.Е., Телегин А.М., Пияков А.В. и др. Физические эффекты при высокоскоростном соударении микрометеороидов и частиц космического мусора с поверхностью космического аппарата (обзор). Успехи прикладной физики, 2020, т. 8, № 1, с. 3–20.

[12] Tao W., Zhu P., Xu C., et al. Uncertainty quantification of mechanical properties for three-dimensional orthogonal woven composites. Part II: Multiscale simulation Compos. Struct., 2020, vol. 235, art. 111764, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111764

[13] Li Y., Stier B., Bednarcyk B., et al. The effect of fiber misalignment on the homogenized properties of unidirectional fiber reinforced composites. Mech. Mater., 2016, vol. 92, pp. 261–274, doi: https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2015.10.002

[14] Зеленцов В.В., Маханьков А.В. Численное моделирование методом SPH взаимодействия фрагментов космического мусора с элементами конструкций космических аппаратов. Наука и образование: научное издание, 2017, № 5, URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=30585825

[15] Zhao S., Song Z. Modelling and analyses of fiber fabric and fabric-reinforced polymers under hypervelocity impact using smooth particle hydrodynamics. Int. J. Impact. Eng., 2020, vol. 144, art 103586, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2020.103586

[16] Deconinck P., Abdulhamid H., Hereil P.L., et al. Experimental and numerical study of submillimeter-sized hypervelocity impacts on honeycomb sandwich structures. Procedia Eng., 2017, vol. 204, pp. 452–459, doi: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.09.740

[17] Meng S., Taddei L., Lebaal N., et al. Advances in ballistic penetrating impact simulations on thin structures using Smooth Particles Hydrodynamics: a state of the art. Thin-Wall. Struct., 2021, vol. 159, art. 107206, doi: https://doi.org/10.1016/j.tws.2020.107206

[18] Zhou Y., Sun Y., Huang T., et al. SPH-FEM simulation of impacted composite laminates with different layups. Aerosp. Sci. Technol., 2019, vol. 95, art. 105469, doi: https://doi.org/10.1016/j.ast.2019.105469

[19] Kumar Y.B. Design and analysis of a new type of aircraft wing leading edge against bird- bird impact. Res. J. Engineering Sci., 2017, vol. 6, no. 3, pp. 23–47.

[20] Giannaros E., Kotzakolios A., Kostopoulos V., et al. Hypervelocity impact response of CFRP laminates using smoothed particle hydrodynamics method: implementation and validation. Int. J. Impact Eng., 2019, vol. 123, pp. 56–69, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2018.09.016

[21] Poniaev S.A., Kurakin R.O., Sedov A.I., et al. Hypervelocity impact of mm-size plastic projectile on thin aluminum plate. Acta Astronaut., 2017, vol. 135, pp. 26–33, doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2016.11.011

[22] Becker M., Seidl M., Mehl M., et al. Numerical and experimental investigation of SPH, SPG, and FEM for high-velocity impact applications. 12th Europ. LS-DYNA Conf., 2019. URL: https://www.dynalook.com/conferences/12th-european-ls-dyna-conference-2019/high-speed-impact/becker_isl.pdf (дата обращения: 04.02.2021).

[23] Di Caprio F., Sellitto A., Saputo S., et al. A sensitivity analysis of the damage behavior of a leading-edge subject to bird strike. Appl. Sci., 2020, vol. 10, no. 22, art. 8187, doi: https://doi.org/10.3390/app10228187

[24] Vignjevic R., De Vuyst T., Campbell J.C. A frictionless contact algorithm for meshless methods. CMES, 2006, vol. 13, no. 1, pp. 35–47.

[25] Du Y., Zhang F., Zhang A., et al. Consequences assessment of explosions in pipes using coupled FEM-SPH method. J. Loss Prev. Process. Ind., 2016, vol. 43, pp. 549–558, doi: https://doi.org/10.1016/j.jlp.2016.07.023

[26] Mikhaylovskiy K., Prosuntsov P. Modelling of thermal and stress-strain state of transformable space structures from hybrid composite materials. MATEC Web Conf., 2018, vol. 194, art. 01039, doi: https://doi.org/10.1051/matecconf/201819401039

[27] Reznik S.V., Prosuntsov P.V., Mikhailovskii K.V. Thermal regime of large space structure with transformable elements from hybrid composite. J. Phys.: Conf. Ser., 2018, vol. 1134, art. 012048, doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1134/1/012048

[28] Железина Г.Ф., Гуляев И.Н., Соловьева Н.А. Арамидные органопластики нового поколения для авиационных конструкций. Авиационные материалы и технологии, 2017, № S, с. 368–378.

[29] Лебедева Т.С., Мерзликина Т.В., Серова Л.Д. и др. Исследование структуры и свойств арамидных тканей и нитей. Межд. науч. студенч. конф. ИНТЕКС-2019. Москва, РГУ им. А.Н. Косыгина, 2019, с. 43–46.

[30] Аккуратов И.Л., Алямовский А.И., Виноградов А.С. и др. Результаты исследований свойств углепластиков на основе различных полимерных связующих, перспективных для изготовления конструкций космической техники. Космическая техника и технологии, 2018, № 1, с. 54–66.

[31] Mikhailovskii K.V., Reznik S.V., Prosuntsov P.V. Method for modeling the interaction between transformable shells of spacecrafts and small space debris objects. AIP Conf. Proc., 2019, vol. 2171, art. 030017, doi: https://doi.org/10.1063/1.5133183

[32] Prosuntsov P.V., Alekseev A.A., Zherebtsova E.O. Determining loads on small space debris trap’s load-bearing frame in case of hypervelocity impact. AIP Conf. Proc., 2021, vol. 2318, art. 020016, doi: https://doi.org/10.1063/5.0035990

[33] Григорьев И.С., Мейлихов Е.З., ред. Физические величины. Москва, Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

[34] Кобылкин И.Ф., Селиванов В.В. Материалы и структуры легкой бронезащиты. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 191 с.