МОДЕЛИРОВАНИЕ УДАРНОГО НАГРУЖЕНИЯ ПЕРВОГО И ВТОРОГО ЭКРАНА ЩИТА УИППЛА МЕТОДОМ ЧАСТИЦ

Подал: Нечунаев Алексей Федорович (онлайн)

Авторы
Мещеряков Ю.И.(1), Коновалов Г.В.(1), Жигачева Н.И.(1), Нечунаев А.Ф.(2)
Организации
(1)Институт проблем Машиноведения ИПМаш РАН РАН, (2)Санкт-Петербургский государственный университет
Секция
Теория и моделирование физических процессов
Научный руководитель
Мещеряков Ю.И.
Место работы научного руководителя
ИПМаш РАН
Текст тезисов
По мере увеличения объема космического мусора в околоземном пространстве все более актуальным становится вопрос о защите космического аппарата от ударов микрочастиц техногенного и нетехногенного происхождения, как одиночными защитными экранами, так и многослойными [4]. Особое внимание следует уделять моделированию проникания микрочастицы в первый, а затем, последовательно, во второй экран щита Уиппла. Как правило, при проектировании считается, что первый экран щита Уиппла будет изготовлен тонким: это 0,5-1 мм, а второй экран - толщиной до 10 мм.
Вместе с проведением натурных экспериментов по ударно-волновому нагружению алюминия авторы предложили способ численного нагружения второго экрана щита Уиппла эквивалентным плоским ударником, в котором масса частиц, летящих ко второму экрану щита Уиппла, «модельно концентрируется» в одном плоском ударнике.
Вычислительные исследования проводили методом сглаженных частиц [2,3]. А натурные испытания проводили на ударном копре, для разгона ударника которого используется газ гелий [1]. Во время проведения натурных испытаний регистрировалась скорость на свободной поверхности мишени, а также, проводился расчет дисперсии по скоростям.
Было замечено, что при «модельной упаковке» всех тех частиц, которые движутся ко второму экрану щита Уиппла, и которые находятся в трехмерном цилиндре, ограниченном с одной стороны, вторым экраном щита Уиппла, а с другой – первым экраном - получается хорошее согласие по массе ударника, который ударяется во второй экран щита Уиппла.
Важной особенностью проверки второго экрана щита Уиппла на прочность, является моделирование его ударного нагружения «эквивалентным» ударником такой же массы, как и суммарная масса частиц, находящихся в рассмотренном выше трехмерном цилиндре. А проверка на откол при таком моделировании – является ключевой проверкой. Авторами было показано, что откол формируется в той зоне внутри алюминиевой мишени, в которой дисперсия по скоростям частиц максимальна.
Таким образом, предложен способ расчета второго экрана щита Уиппла на прочность, при котором он нагружается ударником эквивалентной массой. А указанная масса рассчитывается из суммарной массы частиц, находящихся в облаке осколков и движущихся ко второму экрану после нагружения и пробития первого. Такой поход является экономически целесообразным, т.к. позволяет снизить расходы на эксплуатацию ударного копра, который необходим для разгона ударников до больших скоростей.

Литература
[1] Мещеряков Ю.И. Многомасштабные ударно-волновые процессы в твёрдых телах. – СПб., Нестор-История, 2018.
[2] Firooz A. Allahdadi et al. HIGH STRAIN LAGRANGIAN HYDRODYNAMICS: A THREE-DIMENSIONAL SPH CODE FOR DYNAMIC MATERIAL RESPONSE // Phillips Laboratory AD-A262 798
[3] M.B. Liu · G.R. Liu. Smoothed Particle Hydrodynamics A Meshfree Particle Method, 2003, World Scientific Publishing
[4] 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, 2019, 42(1), р. 20–29