УДК 623.4.082.6
DOI: 10.18698/2308-6033-2022-9-2207
О возможности использования кумулятивных зарядов
с комбинированными облицовками для получения
алюминиевых частиц со скоростями на уровне 16 км/с
С.В. Фёдоров, В.И. Колпаков, Е.П. Виноградова, И.А. Болотина
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия
Для проведения испытаний объектов ракетно-космической техники на стойкость
к воздействию метеороидов и осколков космического мусора используются взрывные
метательные устройства. На основе численного моделирования в рамках двумерной
осесимметричной задачи механики сплошных сред рассмотрены возможности
получения алюминиевых частиц со скоростями до 16 км/с при использовании
кумулятивных зарядов с комбинированной кумулятивной облицовкой. Формирование
высокоскоростной частицы происходит в результате «отсечки» схлопывающейся
цилиндрической частью комбинированной облицовки головного участка
струйного течения, образующегося при схлопывании струеобразующей части
облицовки. Моделирование проводилось применительно к кумулятивному заряду
диаметром 100 мм в вычислительных комплексах ANSYS/AUTODYN и ЭРУДИТ.
Для достижения поставленной цели струеобразующей части облицовки придавалась
дегрессивная толщина, а ограничивающие ее поверхности имели форму поверхностей
полуэллипсоида или полусуперэллипсоида вращения. По результатам
расчетов были подобраны геометрические параметры комбинированной облицовки,
позволяющей сформировать алюминиевую частицу со скоростью на уровне
16 км/с при ее массе в десятые доли грамма.
Ключевые слова: космический мусор, метеоритное воздействие, высокоскоростной
компактный элемент, взрыв, кумулятивный заряд, комбинированная облицовка
полусфера–цилиндр, дегрессивная толщина, численное моделирование
Введение. С увеличением активности человека в околоземном
космическом пространстве приобретает все большее значение проблема
столкновений космических аппаратов с метеороидами и осколками
космического мусора [1–3]. Отработавшие ступени ракет и вышедшие
из строя спутники являются техногенным «космическим мусором»,
и его количество возрастает с каждым годом [2, 4–6]. Проблема также
усугубляется столкновениями таких объектов между собой с их разрушением
на большое количество мелких частиц. По разным оценкам,
на низких околоземных орбитах вплоть до высот 1,5…2 тыс. км
к настоящему времени скопилось до 5000 т техногенных объектов,
причем общее число фрагментов поперечником более 1 см не поддается
точному подсчету и может существенно превышать 100 тыс. [2].
Крупные объекты космического мусора (размером более 10 см) систематизированы
в специальных каталогах, и для уклонения от столкновения
с ними используется маневр корректировки орбиты космического
аппарата. Защита от мелких частиц космического мусора
Инженерный журнал: наука и инновации # 9·2022
1
Стр.1
С.В. Фёдоров, В.И. Колпаков, Е.П. Виноградова, И.А. Болотина
в настоящее время осуществляется путем введения в конструкцию
орбитальных модулей специальных защитных экранов (щитов Уиппла)
[7, 8].
Проектирование, отработка и подтверждение эффективности
экранной защиты — актуальная задача современной космонавтики.
Сложность ее решения обусловлена несколькими причинами, прежде
всего, очень высокой скоростью соударения и жесткими весовыми
ограничениями на элементы защиты. Скорость столкновения осколков
космического мусора с космическим аппаратом может составлять
до 16 км/c
(удвоенная первая космическая скорость). При этом
основную долю космического мусора (примерно 40 %) составляют
частицы из алюминиевых сплавов.
Для моделирования ударного воздействия осколков космического
мусора на защитные конструкции космических аппаратов на этапе их
отработки и испытаний в наземных условиях используются различные
способы получения высокоскоростных компактных металлических
элементов [9–11]. Для решения этой проблемы могут быть применены
легкогазовые баллистические установки [12, 13], электромагнитные
ускорители различных схем [14–16], взрывные метательные устройства
[17, 18]. Существуют также лазерные ускорительные системы, но
они позволяют разгонять до высоких скоростей под действием мощного
импульса лазерного излучения не компактные частицы, а только очень
тонкие металлические фольги (толщиной в пределах 10 мкм) [19].
По таким показателям, как простота конструкции разгонных
устройств и стоимость проведения испытаний, взрывные методы получения
высокоскоростных элементов имеют неоспоримое преимущество
по сравнению с остальными методами. Конструктивные схемы взрывных
метательных устройств весьма разнообразны. Среди них по эффективности,
позволяющей уменьшить массу используемого взрывчатого
вещества, выделяются кумулятивные заряды, в которых формирование
высокоскоростного компактного элемента происходит в результате
взрывного обжатия тонкой металлической оболочки [20–22]. Такие заряды
часто используются для формирования металлических кумулятивных
струй, обладающих высокой пробивной способностью [17].
Если от кумулятивной струи отсечь каким-либо образом ее обладающий
наибольшей скоростью головной участок, из него можно получить
высокоскоростной компактный элемент. Для осуществления
такой «отсечки» могут быть использованы различные методы [17, 22],
в том числе, например, «магнитная отсечка», реализующаяся при
предварительном создании магнитного поля в облицовке кумулятивного
заряда [23, 24].
Цель настоящей работы — выяснение возможности использования
кумулятивных зарядов для проведения испытаний защитных
2
Инженерный журнал: наука и инновации # 9·2022
Стр.2
О возможности использования кумулятивных зарядов…
структур космических аппаратов на стойкость к ударному воздействию
алюминиевых частиц, движущихся с предельно возможными
в реальных условиях скоростями (до 16 км/с).
Предмет и методы исследования. Предметом исследования
являлись кумулятивные заряды с комбинированными облицовками.
К числу таких облицовок относятся используемые в настоящее время
облицовки комбинированной формы полусфера — цилиндр (ПЦоблицовки)
[25]. Образование высокоскоростного компактного элемента
из них происходит в результате «отсечки» схлопывающейся
цилиндрической частью облицовки головного участка струйного течения,
формирующегося при взрывном обжатии полусферической
(струеобразующей) части облицовки. Большой вклад в исследования
кумулятивных зарядов с ПЦ-облицовками внес сотрудник одного
из Московских научно-исследовательских институтов П.И. Потапов,
проводивший их начиная с середины 1950-х годов (впервые идея
была высказана в 1955 г.). Согласно данным [25], применение ПЦоблицовок
с полусферической частью постоянной толщины позволило
отработать систему геометрически подобных кумулятивных зарядов,
устойчиво формирующих компактные стальные элементы массой
от 17 до 100 г, движущиеся со скоростью около 6 км/с.
Как было показано в [26, 27], переход от постоянной к дегрессивной
(уменьшающейся от вершины к основанию) толщине полусферической
кумулятивной облицовки позволяет существенно повысить
скорость формирующегося при ее схлопывании струйного течения.
Этот эффект реализуется при создании в случае дегрессивной толщины
облицовки условий для ее обжатия, более близкого к сферически
симметричному (принцип имплозии) [26], в результате чего усиливается
проявление эффекта сферической кумуляции. Возможность
увеличения скорости получаемых компактных металлических частиц
посредством придания полусферической части ПЦ-облицовки дегрессивной
толщины подтверждена экспериментами [28, 29], в которых
использовались стальные ПЦ-облицовки, изготовленные по специально
разработанной технологии [30].
Однако для полусферических облицовок дегрессивной толщины
одновременно с увеличением скорости головного участка струйного
течения наблюдается существенное снижение его массы при высоких
значениях градиента осевой скорости. Оба эти фактора играют негативную
роль с точки зрения последующего получения высокоскоростного
компактного элемента в результате «отсечки» головного
участка кумулятивной струи. Для их частичного устранения можно
придать полусферической облицовке дегрессивной толщины форму
полуэллипсоида вращения дегрессивной толщины, слегка вытянутого
Инженерный журнал: наука и инновации # 9·2022
3
Стр.3