Кинетический критерий ударно-волновой структурной неустойчивости при ударном нагружении второго экрана щита Уиппла облаком мелких осколков

Авторы
Мещеряков Ю.И.(1), Коновалов Г.В.(1), Жигачева Н.И.(1), Нечунаев А.Ф.(2), Диваков А.К.(1)
Организации
(1) Институт проблем машиноведения Российской академии наук (ИПМаш РАН)
(2) Санкт-Петербургский государственный университет
Сессия
Теория и моделирование физических процессов
Форма представления
Устный
Место работы научного руководителя
Институт проблем машиноведения Российской академии наук ИПМаш РАН
Научный руководитель
Мещеряков Ю.И.
Текст тезисов
С развитием освоения человечеством околоземного космического пространства быстро прогрессирует и объем техногенного космического мусора на орбитах различной высоты. На 2021 г. известно более 130 млн объектов размером 0,1—1 см на тех или иных орбитах, вместе взятых. Это отработанные ступени ракет, осколки от столкновения спутников, частицы краски и покрытия космических аппаратов, частицы ракетного топлива, прочий мусор. Ударившая на большой скорости такая частица в космический аппарат может вызвать необратимые разрушения обшивки, разгерметизацию, повреждение дорогостоящих приборов. Для защиты космических аппаратов, как правило, применяют двойной экран – так называемый щит Уиппла. После столкновения опасной частицы с первым тонким экраном щита Уиппла, как рассматривалось в [1], образуется облако осколков сферо- или грушевидной формы, которое практически с такой же скоростью движется ко второму экрану. Воздействие облака осколков на второй экран гораздо менее опасно, чем воздействие компактного ударника. Но в отдельных случаях, при достаточно малом диаметре облака, может вызывать во втором экране откол или даже сквозное разрушение. Исследования этапов эволюции разрушения во втором экране щита Уиппла, т.е. возникновения структурной неустойчивости в материале требует глубокого изучения физики процесса. Зачастую, такой материал – это высокопрочный алюминиевый сплав. Развитие неустойчивости на масштабном уровне мезо-2 (50-500 мкм) происходит при достижении критического соотношения между скоростью изменения дисперсии скорости частиц мезоуровня-1 (1-10 мкм) в пределах структурного элемента мезоуровня-2 и дефектом массовой скорости на макроуровне. В проведенных авторами доклада натурных экспериментах [2] сценарий развития неустойчивости регистрировался с помощью высокоразрешающей интерферометрической диагностики ударно-деформируемых образцов различных материалов (временное разрешение 1нс). Предпосылки возникновения неустойчивости были подтверждены авторами численно методом сглаженных частиц. Это проявилось широким спектром скоростей частиц во всех направлениях после инициирования ударного взаимодействия рассматриваемых материалов (в модельном варианте рассматривался сплав Al 2024).
Таким образом, при проведении натурных экспериментов, а также при проверке вычислительным моделированием физических основ эволюции разрушения при ударном нагружении толстого алюминиевого экрана было установлено, что критерием перехода материала в структурно-неустойчивое состояние является лавинообразный рост дисперсии скоростей на мезоуровне-1.
Литература
[1] Silnikov, M.V., Guk, I.V., Mikhaylin, A.I., Nechunaev, A.F., Rumyantsev, B.V.
Numerical simulation of hypervelocity impacts of variously shaped projectiles
with thin bumpers. Materials Physics and Mechanics, 42(1), p. 20–29 (2019)
https://mpm.spbstu.ru/article/2019.69.3/
[2] Ю.И.Мещеряков. Многомасштабные ударно-волновые процессы в твёрдых телах. – СПб., Нестор-История, 2018, 476 с.