Назад, на численное моделирование

Влияние гофрирования на защитные свойства противометеорного экрана из металлической сетки

Статья представляет собой компиляцию из опубликованного и не опубликованного, с более наглядной подачей материала (без ограничений издательств) и улучшенной графикой

В статье представлены результаты экспериментального и численного исследования влияния гофрирования на защитные свойства сеточного противометеорного экрана. Описана регистрирующая мишень, позволяющая количественно и наглядно сравнивать защитные свойства различных противометеорных экранов. Экспериментально подтверждено, что более лёгкий экран из гофрированной металлической сетки обладает более высокими защитными свойствами, чем экран из более плотной плоской сетки. С помощью численного моделирования для сеточных экранов равной удельной массы проведено исследование влияния гофрирования и толщины проволоки на характер дробления ударника. Определён оптимальный угол наклона гофры, обеспечивающий при заданной удельной массе экрана максимальное дробление ударника.

Регистрирующая мишень
В данной работе использован способ количественной оценки защитных свойств преграды [Добрица Д.Б., Ященко Б.Ю., Пашков С.В., Христенко Ю.Ф. Экспериментальное исследование стойкости гофрированных сеточных противометеорных экранов // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина. 2021. № 1. С. 24−32. https://doi.org/10.26162/LS.2021.51.1.004], позволяющий легко и наглядно сравнить пробивную способность фрагментов ударника при пробитии преграды. Регистрирующая мишень (рис. 1) представляет собой конструкцию, помещаемую за пределами защитного экрана. Мишень состоит из 10−20 слоёв алюминиевой фольги, разделенных пластинами пенополистирола. Учитывая низкую пробивную стойкость алюминиевой фольги, число пробитых слоёв может служить количественной оценкой пробивной способности запреградного облака фрагментов, в первую очередь, крупных фрагментов ударника и преграды. Устанавливая мишень на заданном расстоянии от преграды, можно оценить радиус разлета частиц осколочного облака, сохранивших пробивную способность и представляющих опасность для оборудования.

Рис. 1. Схема регистрирующей модели. 1 – защитный экран; 2– слой алюминиевой фольги; 3– слой пенополистирола; 4 – ударник

Зазор сравнительно небольшого размера (несколько сантиметров) между защитным экраном и регистрирующей мишенью также может выставляться с помощью плиты из пенополистирола. Это позволяет создать единую сборку, гораздо более удобную при использовании в экспериментальных работах, чем фиксируемые по отдельности пластины или слои.

Экспериментальная оценка эффективности гофрированного сеточного экрана
Предложенный подход был применен для экспериментального исследования защитных свойств сеточных противометеорных экранов. Экспериментально исследовались защитные экраны, состоящие из слоев плоской и гофрированной сетки. Общий вид конструкции защитного экрана на основе гофрированной металлической сетки показан на рисунке 2, патентообладателем является АО «НПО им. С.А. Лавочкина» [Добрица Д.Б., Герасимов А.В., Пашков С.В., Христенко Ю.Ф. Экран для защиты космического аппарата от высокоскоростного ударного воздействия частиц космической среды. Патент на изобретение № 2623782. 29.06.2017].

Рис. 2. Защитный экран из гофрированной сетки. а – гофрированная металлическая сетка; б – схема: 1 – стенка космического аппарата; 2 – гофрированная сетка; 3 – микрометеороид

В качестве ударника использовались шарики из алюминия диаметром 1,5 мм. Алюминий широко используется в качестве ударников, имитирующих микрометеороиды и частицы космического мусора, поскольку его плотность примерно соответствует плотности хондритов (наиболее распространённой подгруппы в классификации метеоритов). Ударники ускорялись в легкогазовой двухступенчатой установке до скоростей порядка 5 км/с. Для упрощения экспериментов был использован режим свободного метания, когда шарик ускоряется в стволе непосредственно газовым потоком. В этом случае отпадает необходимость отделения и отсечки фрагментов поддона и упрощается измерение скорости ударника. Дульная скорость оценивалась по скорости струи легкого газа с помощью двух пьезоэлектрических датчиков давления Т6000.

Для сохранения удельного веса защитного экрана, при использовании гофрированного слоя следует использовать более лёгкую сетку, чем в случае эксперимента с плоской сеткой. Поэтому в данной работе в экспериментах использовались два типоразмера металлической сетки (сталь 12Х18Н10Т) в различных комбинациях (один или два слоя, гофра и/или плоская сетка). Параметры крупной сетки: диаметр проволоки dw = 0,3 мм; апертура (просвет) квадратной ячейки la = 0,5 мм; шаг s = 0,8 мм; поверхностная плотность ρA = 1,50 кг/м2. Параметры мелкой сетки: dw = 0,2 мм; la = 0,356 мм; s = 0,556 мм; ρA = 0,95 кг/м2.

В модельной мишени в качестве свидетелей использовались листы 30 мкм алюминиевой фольги, разделенной пластинами пенополистирола толщиной 8 мм и плотностью 25 кг/м3. Регистрирующая мишень в каждом опыте была многослойной, количество слоёв подбиралось исходя из прогнозируемой оценки пробивных свойств (до 15 слоев фольги, разделенных 8-мм пластинами из пенополистирола). При использовании гофрированной сетки угол гофры составлял 45º, шаг гофры 10 мм, высота гофры 5 мм. Сеточные экраны также отделялись от многослойной регистрирующей мишени пластинами 8 мм пенополистирола.

Было проведено сравнение защитных свойств экрана равной удельной массы из плоской крупной сетки и гофрированного экрана из мелкой сетки. Регистрирующая мишень, описанная выше, позволила сделать это количественно. В таблице 1 приведены параметры и результаты экспериментов по пробитию металлических сеток.

Таблица 1. Параметры и результаты экспериментов по пробитию металлических сеток

В первом эксперименте (рис. 3) с гофрированной мелкой сеткой количество слоёв регистрирующей мишени было взято с некоторым запасом, и оценка пробивной способности фрагментов ударника оказалась верной. Было пробито 11 слоёв фольги. Удар пришёлся на наклонную часть гофры, поэтому эффект дробления проявился достаточно полно. Стоит отметить практически полное разрушение ударника (с появлением как минимум четырех крупных фрагментов).

Рис. 3. Повреждения защитного экрана и листов модельной мишени в эксперименте №1; изображен защитный экран из плоской сетки и слои фольги 1−12 регистрирующей мишени

Во втором эксперименте (рис. 4) несмотря на то, что удельный вес сеточного экрана был больше, чем в эксперименте 1, число пробитых слоёв оказалось выше. При этом пробивная способность фрагментов была недооценена, так как были пробиты все 13 слоёв регистрирующей мишени, причём на последнем слое фольги зафиксировано достаточно большое отверстие (диаметром 1,7 мм), что говорит о наличии крупного фрагмента или, скорее, о существенно деформированном, но не полностью разрушенном ударнике. На первых слоях можно увидеть крестообразную форму разлёта фрагментов, характерную для пробития сеточных экранов при попадании ударника в центр ячейки плоской сетки, при этом мелкие осколки достаточно быстро тормозятся, и уже на 9-ом слое фольги наблюдается только одно пробитие от крупного фрагмента. При фотографировании под фольгу подложена зелёная бумага, что позволило более наглядно оттенить пробитие

Рис. 4. Повреждения защитного экрана и листов модельной мишени в эксперименте №2; изображен защитный экран из плоской сетки и 1−13 слои регистрирующей мишени

Ранее (Космические исследования, 2020), авторами было высказано предположение о том, что при использовании в качестве защитного экрана двух слоёв гофрированной сетки можно добиться максимального дробления ударника и рассеивания запреградного облака фрагментов. Для проверки этой гипотезы был выполнен эксперимент с экраном, представляющим собой два слоя гофрированной сетки, с взаимно перпендикулярным направлением гофр (рис. 5). Существенно увеличенная удельная масса экрана (более чем в 2 раза по сравнению с предыдущими экспериментами) позволила значительно снизить скорость фрагментов. Одновременно мы можем наблюдать хорошее дробление ударника, что позволяет уже на втором слое фольги задержать большинство фрагментов. А те несколько фрагментов, которые преодолели второй слой, сделали это скорее за счёт группового удара.

Рис. 5. Повреждения защитного экрана и листов модельной мишени в эксперименте №3; показаны первый и второй слои защитного экрана, 1−3 слои регистрирующей мишени

Влияние гофрирования на защитные свойства экрана

Как было показано авторами ранее, в гофрированной сетке сочетание наклонной поверхности и воздействие сосредоточенных масс (проволоки) позволяет за счёт «эффекта терки» (выражающегося в интенсивном дроблении контактирующего края высокоскоростного тела, проникающего через сеточную преграду) существенно увеличить фрагментирование ударника и рассеять запреградный импульс. Однако определение оптимального угла наклона гофры является нетривиальной задачей. С одной стороны, при увеличении угла наклона «эффект терки» начинает проявляться всё сильнее. Но для выполнения условия равной удельной массы сравниваемых экранов при увеличении угла наклона в качестве компенсации требуется уменьшать диаметр проволоки, вследствие чего воздействие сосредоточенных масс ослабевает. При выборе угла наклона гофры сеточного слоя также стоит учитывать его влияние на общую толщину противометеорного экрана. В некоторых случаях это будет недостатком, так как увеличиваются габариты конструкции. Однако в случае, если гофрирование сетки увеличивает расстояние между защищаемой конструкцией и сеточным защитным экраном, то увеличенная дистанция до защищаемого объекта будет способствовать снижению плотности запреградного облака фрагментов и его пробивной способности.

Для определения угла наклона гофры, оптимального с точки зрения максимального дробления ударника, было проведено несколько серий численного моделирования соударения микрометеороида с защитным экраном в виде гофрированной металлической сетки. Моделирование производилось в лагранжевой 3D-постановке.

Рис. 6. Начальная конфигурация. Угол наклона гребней гофры 30°

Гофрированный сеточный защитный экран моделировался наклонным участком тканой стальной сетки (рис. 6), то есть предполагалось, что шаг гофры существенно больше характерного размера микрометеороида. Исследовалось влияние угла наклона гофры на характер разрушения частицы и эффективность защитных свойств подобного экрана. При изменении угла наклона неизменность удельной массы экрана (т.е. его поверхностной плотности, рассчитанной относительно перпендикулярной к направлению удара плоскости) обеспечивалась изменением диаметра проволоки (таблица 2). В качестве ударника использовался алюминиевый шарик диаметром 1,5 мм, движущийся со скоростью 5 км/с.

Таблица 2. Параметры сетки для гофрированных сеточных экранов равной удельной массы

Рис. 7. Расчёт взаимодействия микрометеороида размером 1,5 мм на скорости 5 км/с с защитным экраном, 3D вид (верхний рисунок) и вид в сечении для углов гофры (нижний рисунок): а) 15º (0,50 мкс); б) 30º (0,60 мкс); в) 45º (0,70 мкс); г) 60º (1,20 мкс); д) 75º (0,75 мкс)

Рис. 8. Распределение массы ударника в облаке фрагментов

Анализ параметров осколочного облака для разных углов наклона гофры (рис. 7-8) показывает, что с увеличением наклона усиливается «эффект тёрки». Для малых углов наклона гофры (15º − 30º) характер разрушения ударника слабо отличается от его разрушения на аналогичном экране равной массы из прямой сетки. При увеличении угла наклона воздействие сосредоточенных масс (проволок) становится более выраженным, но, поскольку одновременно уменьшается диаметр проволоки, дробление ударника в результате увеличивается незначительно. Значимым фактором при увеличении угла наклона становится существенное изменение направления вектора скорости осколочного облака, который для большей части мелкой фракции ориентируется практически перпендикулярно сетке. За счет этого увеличивается рассеивание запреградного импульса и снижается воздействие облака фрагментов на защищаемый объект. Для значений углов, превышающих 45º, проявляется рикошет − часть фрагментов не проникает за сетку, при этом вектор скорости срикошетивших фрагментов ориентируется по направлению вдоль сетки. Первоначально (для углов менее 45º) рикошетирует лишь небольшая часть фрагментов, при дальнейшем увеличении угла наклона в срикошетивших фрагментах уже возможно выделить компактную, неразрушенную часть ударника.

Для угла наклона 75º основная, неразрушенная часть ударника скользит вдоль сетки, в то время как за сетку прорываются уже только фрагменты. Срикошетившая часть ударника при больших углах может остаться компактной и приобрести вытянутую форму, тем самым она становится потенциально способной прорезать сетку на изгибе гофры. Такой вариант может представлять повышенную опасность, поэтому чрезмерное увеличение угла наклона нецелесообразно. Оптимальный угол наклона гофры, судя по всему, связан с изменением характера взаимодействия ударника и сетки – переход от прорыва основного фрагмента ударника за сетку к его рикошету вдоль сетки для данных размеров ударника и сетки лежит в диапазоне 60 − 75º.

Если оценивать эффективность защитного экрана с точки зрения интегральной стойкости, то есть принимать во внимание также вероятностный фактор местоположения точки соударения и, в том числе, возможность удара строго в гребень гофры, то, на наш взгляд, оптимальный угол можно принять равным 70º. При таком угле, даже ударив в гребень гофры (неважно, нижний или верхний), микрометеороид будет «стачиваться» с двух сторон. Для максимального времени взаимодействия ударника с сеткой и, соответственно, его дробления за счёт описанного выше «эффекта тёрки», шаг гофры (расстояние между гребнями) должен быть в несколько раз больше, чем размер микрометеороида.

Заключение

В статье приведены результаты сравнительного тестирования сеточных защитных экранов равной удельной массы, проведенного с использованием конструкции модельной мишени, позволяющей количественно сравнивать защитные свойства противометеорных экранов без построения баллистической кривой. Экспериментально подтверждено резкое повышение защитных свойств при замене плоской сетки на более тонкую гофрированную. На защитном экране из двух слоёв гофрированной сетки с взаимно перпендикулярной ориентацией гофрирования экспериментально подтверждено практически полное дробление ударника. Помимо хороших защитных свойств, подобная конструкция экрана позволяет снизить размер образующихся вторичных фрагментов, что немаловажно с точки зрения загрязнения околоземного пространства.

С помощью численного моделирования для экранов равной удельной массы было исследовано влияние угла наклона гофры на характер дробления ударника. Показано, что при определенном угле наклона степень дробления ударника резко возрастает, а при дальнейшем увеличении угла неразрушенная часть ударника уже рикошетирует (скользит вдоль сетки), что при правильном выборе угла наклона значительно снижает импульсную нагрузку на защищаемую конструкцию.

Помимо повышенных защитных свойств и большого потенциала для повышения живучести космических аппаратов, использование гофрированной металлической сетки может решить ряд конструкционных проблем с жесткостью и виброустойчивостью защитных экранов. Гофра, заполненная пеной или приваренная микросваркой к тонкой фольге или гофрированному слою перпендикулярной ориентации, имеет достаточную жёсткость для независимого крепления в виде панелей. Комбинированная защита, в которой используются подобные слои, может при определённых условиях даже выступать в роли несущего элемента конструкции космического аппарата.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект №16-19-10264).  

Ключевые статьи на тему сеточных защитных экранов

Скачать pdf: Добрица Д.Б., Ященко Б.Ю., Пашков С.В., Христенко Ю.Ф. К вопросу о геометрии гофрирования и её влиянии на защитные свойства противометеорного экрана из металлической сетки // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина. 2021. № 4. С. 50−55. https://doi.org/10.26162/LS.2021.54.4.008

Скачать pdf: Добрица Д.Б., Ященко Б.Ю., Пашков С.В., Христенко Ю.Ф. Экспериментальное исследование стойкости гофрированных сеточных противометеорных экранов // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина. 2021. № 1. С. 24−32. https://doi.org/10.26162/LS.2021.51.1.004

Скачать pdf (РУС): Д.Б. Добрица, С.В. Пашков, Ю.Ф. Христенко. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЕТОЧНЫХ ГОФРИРОВАННЫХ ЭКРАНОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ МЕТЕОРНО-ТЕХНОГЕННЫХ ЧАСТИЦ // КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2020, том 58, № 2, с. 131–137
Скачать pdf (ENG): D.B. Dobritsa, S.V. Pashkov, and Yu.F. Khristenko. Study of the Efficiency of Corrugated Mesh Shields for Spacecraft Protection against Meteoroids and Manmade Space Debris // Cosmic Research, 2020, Vol. 58, No. 2, pp. 105–110.

Скачать pdf: Б.Т. Добрица, Д.Б. Добрица, С.В. Пашков. Моделирование процесса взаимодействия высокоскоростного ударника с трехслойной разнесенной комбинированной преградой // Математическое моделирование и численные методы. 2018. № 1. С. 70-89.

Скачать pdf: Alexander V. Gerasimov, Sergey V. Pashkov. New Model and Method for Simulation of the Combined Protection of Space Vehicles from High-Velocity Debris // The 12th World Congress on Computational Mechanics & The 6th Asia-Pacific Congress on Computational Mechanics 24-29 July 2016 I Seoul, Korea, Proceedings, Paper No. 150147, 2016, pp. 150-156.

Скачать pdf (ENG): A.V. Gerasimov, D. B. Dobritsa, S. V. Pashkov, Yu.F. Khristenko. Theoretical and Experimental Study of a Method for the Protection of Spacecraft from High–Speed Particles // Cosmic Research, 2016, Vol. 54, No. 2, pp. 118–126.
Скачать pdf (РУС): 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

Назад, на численное моделирование