Математическое моделирование ударного воздействия метеороидов и осколков космического мусора на защитные конструкции космических аппаратов

• Автор: Юдин, Евгений Юрьевич
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 149 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ОКОЛОЗЕМНОЙ МЕТЕОРОИДНОЙ ОБСТАНОВКИ И ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ УДАРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
1.1. Осколочно-метеороидная обстановка
1.2. Существующие методы расчета и отработки ударной стойкости конструкций КА
1.2.1. Методы численного моделирования
1.2.2. Гидродинамический метод сглаженных частиц (SPH)
1.3. Применение SPH метода для расчета высокоскоростного соударения тел 41 ГЛАВА 2. ВАЛИДАЦИЯ ЧИСЛЕННЫХ АЛГОРИТМОВ РАСЧЕТА
2.1. Валидация применимости конечно-элементных моделей
2.2. Валидация применимости SPH-метода
ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УДАРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПАКТНЫХ ЧАСТИЦ С ЭЛЕМЕНТАМИ ЭКРАННОЙ ЗАЩИТЫ
3.1. Анализ импульсных характеристик при ударном воздействии компактной частицы на тонкие экраны
3.1.1. Постановка задачи
3.1.2. Импульс обратного выброса продуктов разрушения
3.1.3. Импульс в направлении скорости ударника
3.2. Исследование параметров облака вторичных осколков
3.2.1. Постановка задачи
3.2.2. Анализ результатов расчетов
3.3. Моделирование откольных явлений
3.3.1. Столкновение плоских пластин
3.3.2. Откол в защитном экране 104 ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ ЧИСЛЕННОГО АНАЛИЗА К РАСЧЕТУ ПАРАМЕТРОВ УДАРНОЙ СТОЙКОСТИ ЗАЩИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
4.1. Анализ защищенности Служебного модуля
4.1.1. Защитные конструкции Служебного модуля
4.1.2. Уточнение баллистических предельных зависимостей гермооболочки СМ
4.2. Анализ защищенности Многоцелевого лабораторного модуля
4.2.1. Защитные конструкции МЛМ
4.2.2. Уточнение баллистических предельных зависимостей гермооболочки МЛМ
4.3. Численный анализ ударного воздействия на элементы системы самогерметизации
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
БПЗ - баллистическая предельная зависимость;
ВНП - вероятность непробоя;
КА - космический аппарат;
МБУ - многоцелевая баллистическая установка;
МКС - Международная космическая станция;
МКЭ - метод конечных элементов;
МЛМ - Многоцелевой лабораторный модуль;
НДС - напряженно-деформированное состояние;
ОКМ - осколок космического мусора;
СМ - Служебный модуль;
ФГБ - Функциональный грузовой блок;
ЭЗК - экранная защитная конструкция;
БРН - гидродинамический метод сглаженных частиц.

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
На ранних этапах освоения околоземного космического пространства проблема столкновений космических аппаратов с метеороидами была второстепенной по сравнению со многими другими опасностями космоса. При этом малая вероятность столкновения с частицами миллиметрового размера убывала на порядки для больших метеороидов. Метеороидная опасность значительно возрастала в периоды прохождения Землёй зон метеоритных потоков (Леониды, Персеиды) и при прохождении космическими аппаратами дальнего зондирования космоса пояса астероидов между Марсом и Юпитером.
Однако, с увеличением человеческой активности в околоземном космосе ситуация изменилась. Отработавшие ступени ракет, вышедшие из строя спутники, в особенности уничтожаемые взрывом отработавшие спутники военного назначения являются техногенным «космическим мусором» и количество его растет с каждым годом. Проблема также усугубляется столкновениями таких объектов между собой, что приводит к возникновению множества осколков. Опасность техногенного засорения околоземной среды усугубляется увеличением количества космических аппаратов и их размеров. Постоянно действующая, Международная космическая станция. (МКС) является наиболее уязвимой мишенью для космического мусора. Крупные (наблюдаемые) объекты систематизированы в специальных каталогах и для защиты МКС от столкновения с ними используется маневр уклонения путем корректировки орбиты. Мелкие (ненаблюдаемые) частицы - осколки космического мусора (ОКМ) также представляют опасность для космических объектов. Защита от них в настоящее время осуществляется путем введения в конструкцию модулей (главным образом гермооболочек) специальных защитных экранов. Проектирование, отработка и подтверждение эффективности экранной защиты - актуальная задача современной (в особенности пилотируемой) космонавтики. Основные сложности ее решения обусловлены двумя причинами: жесткие весовые ограничения и высокие
- существуют сложности с обработкой нерегулярной или сложной геометрии материала; для конвертирования нерегулярной геометрии тел в регулярную вычислительную область обычно необходима сложная процедура генерации сетки;
- существуют известные трудности с описанием свободных поверхностей, деформируемых границ и движущихся границ разделов материала;
- эйлеровы методы неизбежно требуют построения сетки вне области, которая первоначально занята телом; сетка должна охватывать и ту область, которую тело занимает в процессе движения, поэтому ограниченность вычислительных ресурсов заставляет огрублять сетку, что негативно сказывается точности вычислений.
- особенности обоих сеточных методов систематизированы в таблице 1.2.2.