О возможности использования кумулятивных зарядов с комбинированными облицовками для получения алюминиевых частиц со скоростями на уровне 16 км/с
Опубликовано: 21.09.2022
Авторы: Фёдоров С.В., Колпаков В.И., Виноградова Е.П., Болотина И.А.
Опубликовано в выпуске: #9(129)/2022
DOI: 10.18698/2308-6033-2022-9-2207
Раздел: Механика | Рубрика: Механика деформируемого твердого тела
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.
Литература
[1] Hyde J.L., Christiansen E.L., Kerr J.H. Meteoroid and orbital debris risk mitigation in a low Earth orbit satellite constellation. International Journal of Impact Engineering, 2001, vol. 26, pp. 345–356.
[2] Новиков Л.С. Воздействие твердых частиц естественного и искусственного происхождения на космические аппараты. Москва, Университетская книга, 2009, 104 с.
[3] Хабибуллин М.В., Кривошеина М.Н., Саммель А.Ю. Математическое моделирование ударного воздействия фрагментов космического мусора на иллюминаторы космических аппаратов. Инженерно-физический журнал, 2019, т. 92, № 6, с. 2548–2556.
[4] Eichler P., Reynolds R., Bade A., Johnson N. Historical evolution and current status of the number and mass of objects in Earth orbit. Orbital Debris Quarterly News, NASA JSC Houston, 1998, vol. 3, no. 4, p. 8.
[5] Зеленцов В.В. Проблемы мелкого космического мусора. Наука и образование. Журнал МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015, № 4, с. 89–104. DOI: 10.7463/0415.0764904
[6] Smirnov N.N., Nazarenko A.I., Kiselev A.B. Modelling of the space debris evolution based on continua mechanics. European Space Agency (Special Publication) ESA SP, 2001, vol. 1, no. 473, pp. 391–396.
[7] Christiansen E. Design and performances equations for advanced meteoroid and debris shield. International Journal of Impact Engineering, 1993, vol. 14, pp. 145–156.
[8] Smirnov N.N., Kiselev A.B., Kondratyev K.A., Zolkin S.N. Impact of debris particles on space structures modeling. Acta Astronautica, 2010, vol. 67, pp. 333–343.
[9] Cable A.J. Hypervelocity accelerators. In: High-velocity impact phenomena. Ray Kinslow, ed. New York and London, Academic Press, 1970, 592 p.
[10] Мержиевский Л.А., Титов В.М., Фадеенко Ю.И., Швецов Г.А. Высокоскоростное метание твердых тел. Физика горения и взрыва, 1987, т. 23, № 5, с. 77–91.
[11] Minin V.F., Minin I.V., Minin O.V. Hypervelocity fragment formation technology for ground-based laboratory tests. Acta Astronautica, 2014, vol. 104, pp. 77–83.
[12] Piekutowski A.J., Poormon K.L. Development of a three-stage, light-gas gun at the University of Dayton Research Institute. International Journal of Impact Engineering, 2006, vol. 33, pp. 615–624.
[13] Thornhill T.F., Chhabildas L.C., Reinhart W.D., Davidson D.L. Particle launch to 19 km/s for micro-meteoroid simulation using enhanced three-stage light gas gun hypervelocity launcher techniques. International Journal of Impact Engineering, 2006, vol. 33, pp. 799–811.
[14] Rashleigh S.C., Marshall RA. Electromagnetic acceleration of macroparticles to high velocities. Journal of Applied Physics, 1978, vol. 49, no. 4, pp. 2540–2542.
[15] Станкевич С.В., Швецов Г.А. Предельные кинематические характеристики рельсовых электромагнитных ускорителей с металлическим якорем во внешнем магнитном поле. Прикладная механика и техническая физика, 2014, т. 55, № 5, с. 14–20.
[16] Lemke R.W., Knudson M.D., Davis J.-P. Magnetically driven hyper-velocity launch capability at the Sandia Z accelerator. International Journal of Impact Engineering, 2011, vol. 38, pp. 480–485.
[17] Орленко Л.П., ред. Физика взрыва. В 2-х т. Т. 2. Москва, Физматлит, 2004, 656 с.
[18] Герасимов С.И., Маляров Д.В., Сироткина А.Г., Капинос С.А., Калмыков А.П., Князев А.С. Взрывные метательные устройства кумулятивного типа для формирования высокоскоростных компактных элементов. Физика горения и взрыва, 2020, т. 56, № 4, с. 128–136.
[19] Greenaway M.W., Proud W.G., Field J.E., Goveas S.G. A laser-accelerated flyer plates. International Journal of Impact Engineering, 2003, vol. 29, pp. 317–321.
[20] Андреев С.Г., Бойко М.М., Клименко В.Ю. Метательное действие зарядов взрывчатых веществ при распространении инициирующих и детонационных волн. Инженерный журнал: наука и инновации, 2016, вып. 4. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2016-04-1483
[21] Круглов П.В., Колпаков В.И. Анализ влияния разнотолщинности профиля металлических сегментных облицовок на форму высокоскоростных удлиненных элементов. Инженерный журнал: наука и инновации, 2018, вып. 7. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2018-7-1782
[22] Katayama M., Kibe S. Numerical study of the conical shaped charge for space debris impact. International Journal of Impact Engineering, 2001, vol. 26, pp. 357–368.
[23] Федоров С.В., О возможности «отсечки» лидирующего высокоскоростного участка металлической струи при взрыве кумулятивного заряда в аксиальном магнитном поле. Боеприпасы и высокоэнергетические конденсированные системы, 2008, № S2, с. 73–80.
[24] Федоров С.В. Усиление магнитного поля в металлических кумулятивных струях при их инерционном удлинении. Физика горения и взрыва, 2005, т. 41, № 1, с. 120–128.
[25] Жданов И.В., Князев А.С., Маляров Д.В. Получение высокоскоростных компактных элементов требуемых масс при пропорциональном изменении размеров кумулятивных устройств. Труды Томского государственного университета. Серия физико-математическая, 2010, т. 276, с. 193–195.
[26] Федоров С.В. О реализации принципа имплозии в кумулятивных зарядах с полусферическими облицовками дегрессивной толщины. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2017, № 3, с. 71−92.
[27] Selivanov V.V., Fedorov S.V., Nikolskaya Ya.M., Ladov S.V. Compact element formation for the modeling of the high-velocity impacts of particles onto spacecraft materials and construction elements in earth conditions. Acta Astronautica, 2017, vol. 135, pp. 34−43.
[28] Selivanov V.V., Ladov S.V., Nikolskaya Ya.M., Fedorov S.V. Research of the explosive formation of a compact element for meteoroids fragments and space debris modeling. Acta Astronautica, 2019, vol. 163, pp. 84–90.
[29] Федоров С.В., Ладов С.В., Никольская Я.М., Баскаков В.Д., Бабурин М.А., Курепин А.Е., Горбунков А.А., Пирозерский А.С. Формирование потока высокоскоростных частиц кумулятивными зарядами с облицовкой полусфера-цилиндр дегрессивной толщины. Физика горения и взрыва, 2017, т. 53, № 4, с. 122–125.
[30] Бабурин М.А., Баскаков В.Д., Зарубина О.В., Ладов С.В., Никольская Я.М., Федоров С.В. Применение профилированных по толщине заготовок для управления толщиной стенки штампуемых свинцом оболочковых деталей. Технология металлов, 2016, № 11, с. 2–8.
[31] Geille A. Numerical model of hypervelocity multistage planar disc explosive launchers. International Journal of Impact Engineering, 1995, vol. 17, pp. 353–362.
[32] Silnikov M.V., Guk I.V., Nechunaev A.F., Smirnov N.N. Numerical simulation of hypervelocity impact problem for spacecraft shielding elements. Acta Astronautica, 2018, vol. 150, pp. 56–62.
[33] Федоров С.В., Велданов В.А. Применение сегментированных ударников для формирования каверны в грунтово-скальных преградах. Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук, 2012, № 1 (71), c. 43−50.