Об ударно-волновом разгоне материала в системе пластин с уменьшающейся акустической жесткостью
Авторы: Фёдоров С.В., Старшикова А.С., Люшнин С.А.
Опубликовано в выпуске: #10(130)/2022
DOI: 10.18698/2308-6033-2022-10-2216
Раздел: Механика | Рубрика: Механика деформируемого твердого тела
Для получения высокоскоростных металлических частиц при моделировании воздействия метеороидов и осколков космического мусора на защитные экраны космических аппаратов используется ударно-волновой разгон тонких металлических пластин при их соударении с ударным элементом, ускоренным легкогазовой баллистической установкой. На переднем торце такой элемент имеет вставку из слоев с уменьшающейся кнаружи акустической жесткостью. Рассмотрен эффект увеличения скорости разгоняемой ударом пластины при размещении между ней и ударным элементом промежуточной системы пластин с монотонно уменьшающимся акустическим импедансом, значения которого заключены между импедансами ударного элемента и разгоняемой пластины. На основе численного моделирования в рамках плоской одномерной задачи механики сплошных сред исследован ударно-волновой разгон алюминиевой пластины при ее непосредственном соударении с танталовым ударным элементом, а также при наличии между ними одной промежуточной пластины из меди или двух промежуточных пластин из меди и титана. Зафиксировано возрастание коэффициента увеличения скорости разгоняемой пластины по отношению к скорости ударного элемента с увеличением числа промежуточных пластин. С использованием акустического приближения получено аналитическое решение задачи о разгоне пластины при наличии между ней и ударным элементом системы из бесконечного числа бесконечно тонких пластин с непрерывно уменьшающимся акустическим импедансом.
Литература
[1] Christiansen E. Design and performances equations for advanced meteoroid and debris shield. International Journal of Impact Engineering, 1993, vol. 14, pp. 145–156.
[2] 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.
[3] Fahrenthold E.P., Hernandez R.J. Simulation of orbital debris impact on the Space Shuttle wing leading edge. International Journal of Impact Engineering, 2006, vol. 33, pp. 231–243.
[4] Герасимов А.В., Добрица Д.Б., Пашков С.В., Христенко Ю.Ф. Теоретико-экспериментальное исследование способа защиты космических аппаратов от высокоскоростных частиц. Космические исследования, 2016, т. 54, № 2, с. 126–134.
[5] Новиков Л.С. Воздействие твердых частиц естественного и искусственного происхождения на космические аппараты. Москва, Университетская книга, 2009, 104 с.
[6] 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.
[7] Зеленцов В.В. Проблемы мелкого космического мусора. Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015, № 4, с. 89–104. DOI: 10.7463/0415.0764904
[8] 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.
[9] Cable A.J. Hypervelocity accelerators. In: High-velocity impact phenomena. Kinslow R., ed. New York, London, Academic Press, 1970, 592 p.
[10] 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.
[11] Златин Н.А., Красильщиков А.П., Мишин Г.И., Попов Н.Н. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях. Москва, Наука, 1974, 344 с.
[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] Мартынов В.В., Шуневич Н.А. Направления улучшения характеристик легкогазовой установки. Известия ТулГУ. Технические науки, 2022, вып. 4, с. 497–501.
[14] Khristenko Yu.F., Zelepugin S.A., Gerasimov A.V. New light-gas guns for the high-velocity throwing of mechanical particles. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 2017, vol. 12, no. 22, pp. 6606–6610.
[15] Rashleigh S.C., Marshall R.A. Electromagnetic acceleration of macroparticles to high velocities. Journal of Applied Physics, 1978, vol. 49, no. 4, pp. 2540–2542.
[16] 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.
[17] 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.
[18] Орленко Л.П., ред. Физика взрыва. В двух томах. Т. 2. Москва, Физматлит, 2004, 656 с.
[19] 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
[20] 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
[21] 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.
[22] 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.
[23] 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.
[24] 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.
[25] 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.
[26] 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.
[27] Chhabildas L.C., Kmetyk L.N., Reinhart W.D., Hall C.A. Enhanced hypervelocity launcher — capabilities to 16 km/s. International Journal of Impact Engineering, 1995, vol. 17, pp. 183–194.
[28] 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.
[29] Бабкин А.В., Колпаков В.И., Охитин В.Н., Селиванов В.В. Прикладная механика сплошных сред. В трех томах. Т. 3. Численные методы в задачах физики быстропротекающих процессов. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, 520 c.
[30] Герасимов А.В., Кректулева Р.А. Модель деформирования и разрушения многокомпонентной пористой упругопластической среды с непрерывным изменением физико-механических характеристик. Проблемы прочности, 1999, № 2, с. 139–150.
[31] Герасимов А.В., Шалковский Д.М. Ударно-волновое нагружение пластин, содержащих слои функционально градиентных материалов. Механика композиционных материалов и конструкций, 2002, т. 8, № 4, с. 533–542.