Численный анализ взрывного формирования алюминиевых частиц в диапазоне скоростей 2…16 км/c
Опубликовано: 29.01.2023
Авторы: Колпаков В.И., Фёдоров С.В., Виноградова Е.П.
Опубликовано в выпуске: #1(133)/2023
DOI: 10.18698/2308-6033-2023-1-2240
Раздел: Механика | Рубрика: Механика деформируемого твердого тела
Для проведения испытаний объектов ракетно-космической техники на стойкость к ударному воздействию метеороидов и осколков космического мусора используются взрывные метательные устройства. В настоящей работе на основе численного моделирования в рамках двумерной осесимметричной задачи механики сплошных сред обоснованы конструктивные параметры кумулятивных зарядов, формирующих компактные алюминиевые частицы массой до 1 г и более в широком диапазоне скоростей (от 2 км/с до 16 км/с). Моделирование проведено применительно к кумулятивным зарядам диаметром 20…100 мм с использованием вычислительных комплексов ANSYS/AUTODYN, ЭРУДИТ и KOLDUN. Показано, что для формирования более скоростных идентичных по массе частиц требуются заряды большего диаметра. При этом для формирования частиц, приближающихся к нижней границе указанного скоростного диапазона, необходимо использовать сегментные кумулятивные облицовки дегрессивной толщины, а для формирования более скоростных частиц, движущихся со скоростями от 10 км/с до 16 км/с, — комбинированные кумулятивные облицовки, в которых струеформирующая часть имеет форму полуэллипсоида или полусуперэллипсоида вращения дегрессивной толщины.
Литература
[1] Вениаминов С.С., Червонов А.М. Космический мусор — угроза человечеству. Москва, ИКИ РАН, 2012, 192 с.
[2] Шустов Б.М. О фундаментальных исследованиях по проблеме космического мусора. Всероссийская научная конференция с международным участием «Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы». Москва, ИКИ РАН, 2019, c. 7–14.
[3] Назаренко А.И. Моделирование космического мусора. Москва, ИКИ РАН, 2013, 216 с.
[4] Новиков Л.С. Воздействие твердых частиц естественного и искусственного происхождения на космические аппараты. Москва, Университетская книга, 2009, 104 c.
[5] 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.
[6] 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.
[7] 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.
[8] Christiansen E. Design and performances equations for advanced meteoroid and debris shield. International Journal of Impact Engineering, 1993, vol. 14, pp. 145–156.
[9] 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.
[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] Герасимов С.И., Ерофеев В.И., Зубанков А.В., Кикеев В.А., Писецкий В.В. Математическое моделирование и экспериментальное исследование бесконтактного измерительного сечения в задаче высокоскоростной аэробаллистики. Инженерно-физический журнал, 2021, т. 94, № 1, с. 174–179.
[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] Орленко Л.П., ред. Физика взрыва. В 2-х т. Т. 2. Москва, Физматлит, 2004, 656 с.
[17] 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.
[18] 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.
[19] Fedorov S.V., Kolpakov V.I., Vinogradova E.P., Bolotina I.A. Сombined shaped-charge liners for explosion formation of aluminum particles with velocities up to 16 km/s. Acta Astronautica, 2022, vol. 190, pp. 231–240.
[20] 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.
[21] Федоров С.В., Бабкин А.В., Ладов С.В. О влиянии магнитного поля, создаваемого в облицовке кумулятивного заряда, на его пробивное действие. Физика горения и взрыва, 1999, т. 35, № 5, с. 145–146.
[22] 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.
[23] 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. https://doi.org/10.18698/1812-3368-2017-3-71-92
[24] 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.
[25] 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.
[26] Колпаков В.И. Математическое моделирование функционирования взрывных устройств. Электронный журнал «Наука и образование: электронное научно-техническое издание» МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012, № 2, c. 1–36 (77-30569/334177). URL: http://technomag.edu.ru/doc/334177.html
[27] Бабкин А.В., Колпаков В.И., Охитин В.Н., Селиванов В.В. Численные методы в задачах физики быстропротекающих процессов. 3-е изд., испр. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021, 370 с.
[28] Колпаков В.И., Ладов С.В., Никольская Я.М., Федоров С.В. Анализ влияния физико-механических характеристик материала кумулятивной облицовки на параметры высокоскоростного элемента. Журнал технической физики, 2018, т. 88, вып. 12, с. 1829–1836.
[29] Федоров С.В. К определению глубины проникания пористых ударников при гиперскоростном взаимодействии. Журнал технической физики, 2007, т. 77, № 10, с. 131–134.
[30] Fedorov S.V., Bayanova Ya.M. Hydrodynamic model for penetration of extended projectiles with consideration of material compressibility. In: Proc. of the 25th Int. Symp. on Ballistics. Beijing, China, 2010, pp. 1032–1039.
[31] AUTODYN theory manual revision. Century Dynamics Inc. California, USA, 2005, 235 p.
[32] Колпаков В.И. Определение констант уравнения состояния продуктов детонации в форме Джонса — Уилкинса — Ли. Известия РАРАН, 2016, № 4 (28), с. 87–92.
[33] Селиванов В.В. Механика разрушения деформируемого тела. 2-е изд., испр. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, 424 с.
[34] Walters W.P., Zukas J.A. Fundamentals of Shaped Charges. New York, John Wiley & Sons Inc., 1989, 389 p.