Метод тестирования материалов внешних оболочек космических летательных аппаратов от повреждающего воздействия фракций пылевых частиц на орбите Земли

Название	Метод тестирования материалов внешних оболочек космических летательных аппаратов от повреждающего воздействия фракций пылевых частиц на орбите Земли
Разработчик (Авторы)	Алексенцева Светлана Евгеньевна
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2818023
Дата регистрации	23.04.2024
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет"
Область применения (класс МПК)	G01N 3/313 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к области испытания материалов конструкций внешних оболочек космических летательных аппаратов от множественного воздействия пылевых метеорных частиц и их сгустков, а также от микротел техногенного происхождения.

Метод позволяет испытывать материалы защитных панелей и сеток, разработанных для предотвращения попадания космического мусора и потока частиц, курсирующих на орбите Земли. Метод основан на формировании потока частиц взрывным способом в режиме сверхглубокого проникания в металлические материалы, что может с высокой степенью достоверности имитировать отдельные фрагменты околоземной обстановки обстрела объектов космическими микротелами. Показана возможность отработки подбора конкретной марки материала для использования в качестве конструкционного материала внешней оболочки космического летательного аппарата (ЛА) или защитной конструкции. По результатам тестирования материалов отбирать наиболее надёжные и устойчивые к воздействию космическими микротелами материалы, задерживающие проникание частиц в материалы и предотвращающие возможные аварийные ситуации, связанные с потерей герметичности летательного аппарата, поражением систем управления. Возможно подобрать материал корпуса с присадками повышенного “герметичного заваривания” пробитого микроканала в результате динамики импульсных термохимических реакций новообразований в канале позади внедряющейся частицы.

Аналогом является лабораторное моделирование высокоскоростных соударений твёрдых частиц естественного и космического происхождения с космическими аппаратами и изучение их в экспериментах. Среди ряда используемых методов ускорителей твёрдых частиц (газовые и электромагнитные пушки, плазменные и лазерные ускорители, электростатические и линейные ускорители и др.) эффективными являются взрывные ускорители с использованием кумулятивных зарядов для увеличения скорости метания частиц, в которых частицы располагаются на поверхности вещества и разгоняются взрывной волной. Масса метаемых частиц 10-5 – 10-3 кг в скоростном интервале 1 – 10 км/с. (Новиков Л.С. Воздействие твёрдых частиц естественного и искусственного происхождения на космические аппараты. – Уч. пособие. – М.: Университетская книга, 2009 – 104 с.).

Прототипом можно считать схему исследования имитационных процессов взаимодействия пылевидных фракций космических частиц с техническим алюминием в режиме сверхглубокого проникания на энергиях кинетического импульса короткого во времени и высокого по интенсивности (Ушеренко Ю.С., Алексенцева С.Е., Ушеренко С.М. Исследование надёжности материалов внешних оболочек корпусов космических летательных аппаратов на орбите Земли в направлении взаимодействия с пылевидными фракциями // Технология металлов – М. – 2022.- №5.- С.52-56). Основной концепцией данного имитационного ударного взаимодействия частиц с техническим алюминием является конструкция кумулятивного ускорителя. В схему кумулятивного ускорителя входит заряд ВВ, инициируемого с помощью электродетонатора. В нижней части кумулятивного заряда имеется кумулятивная выемка, в качестве рабочей облицовки которой размещается навеска порошковых частиц.

Данная схема реализует метание потока частиц размером 10-100 мкм со скоростью от 3 км/с и более.

Данная установка формирует поток частиц в виде струи, с эффектом синергетики и образованием множества внутренних локальных зон напряжения в структуре металлов корпуса, что не соответствует реальному, более распределённому в пространстве, или единичному характеру взаимодействия частиц с внешними оболочками космических летательных аппаратов.

Предлагаемое изобретение - метод тестирования образцов материалов внешних оболочек космических летательных аппаратов от повреждающего воздействия фракций пылевых частиц на орбите Земли обеспечивает следующий технический результат: повышение надёжности в результате подбора материалов конструкций внешних оболочек космических летательных аппаратов, внешних корпусов спутниковых объектов под воздействием параметрических характеристик частиц в показателях динамики физики и свойств пробоя.

Технический результат достигается за счёт того, что метод тестирования материалов внешних оболочек космических летательных аппаратов от повреждающего воздействия фракций пылевых частиц на орбите Земли, в котором используется кумулятивный заряд для метания микротел, причем кумулятивный заряд является удлинённым и с увеличением массы заряда по длине, в кумулятивную выемку которого облицовывается метаемый слой частиц-имитаторов пылевых метеорных и техногенных частиц и их сгустков в соответствии со спектром физико-механических характеристик, расположенных соответственно по закону увеличения крупности вдоль заряда, что формирует продольно-протяжённое распределение в пространстве потока микротел в диапазоне скоростей 1 - 11 км/с, проникающих в фазе сверхглубокого проникания в материал, с целью определения возможных нарушений конструкционной надёжности защитных панелей и возможно корпуса космического летательного аппарата с целью подбора материалов, задерживающих частицы.

На фиг.1 отображено устройство, где 1 – удлинённый кумулятивный заряд, 2 – продольно-распределённый поток частиц-имитаторов, 3 – тестируемый материал внешней оболочки космического ЛА. Метание имитаторов космических микротел осуществляется путём инициирования заряда энергонасыщенного материала и формирования кумулятивного «ножа» из слоя частиц, расположенного в кумулятивной выемке заряда. Продольно-протяжённый в пространстве поток частиц обеспечивает широкую зону обстрела тестируемого образца, имитирующее более реалистичную картину возможного попадания конструкций космических ЛА под поток космических микротел в околоземном пространстве. На фиг.2 показана схема проведения испытания образцов материалов с использованием заряда энергонасыщенных материалов (ЭНМ) с увеличением массы заряда по длине и с расположенными в кумулятивной выемке частицы по закону увеличения крупности частиц. В результате испытаний получаем спектр участков материала от 1 до n, обработанных с разными скоростными режимами частицами разной крупности.

Разрушение аппаратов на орбите Земли не единичны. Во многих аварийных ситуациях невозможно однозначно определить причину разрушений и поломок из-за необходимости выведения аварийного объекта на траектории схода с орбиты и затопления в заданных районах океана. В массовом интервале космических объектов большую долю занимают тела массой от десятых долей грамма до килограмма. Интервал скоростного взаимодействия космических объектов с космическими ЛА лежит в интервале 0.1 – 16 км/с (Семкин Н.Д., Телегин А.М. Преобразователи в электронных устройствах бортовых систем. Уч.пос. Самара: СГАУ, 2012. 307 с.). Осколки лунного грунта пролетают со скоростью около 1 км/с. Размерный интервал космических микротел начинается от долей микрометров, частицы техногенной природы составляют 1-10 мкм.

Метод позволяет исследовать вероятности и характеристики поражения с разрушением защитных панелей и корпусных оболочек как результат ударного взаимодействия со сгустками пылевидных частиц в режиме сверхглубокого проникания (СГП). Проведены исследования алюминиевого сплава АМг6 (образцы высотой 30 мм) сгустками частиц в размерном интервале частиц до 100 мкм со скоростями 1 – 3.5 км/с. Показана возможность проникания частиц на глубину до тысячи исходных размеров ударников, реализующее эффект СГП с целью тестирования надёжности материала.

Структурные изменения в алюминиевом сплаве при проникании микротел локализуются в микро- и макрообъёме. Возникают канальные структурные элементы в результате проникания частиц. Формируются волокна, состоящие из изменённого материала алюминиевого сплава, остатков материала частиц и химических соединений при их взаимодействии.

Обстрел сплава алюминия потоком частиц хрома (ρ=7.19 г/см3, размер частиц около 10 мкм) формирует неоднородное структурообразование. АМг6 представляет собой неоднородную структуру α-твёрдого раствора магния в алюминии. Светлые зоны локализуются в неравновесной β-фазе Al8Mg5. В центральной зоне образцов АМг6 по высоте наблюдается значительная внутризёренная переориентация в виде механической структуры вытянутая вдоль направления деформации. На глубине ~25-30 мм имеется более однородная мелкофрагментированная структура, подобная областям поверхности с возможным выделением неравновесной β-фазы и следами внедрённых частиц (фиг.2 и 3). Видно, что исходная структура внутри большого фрагмента представляет α-твёрдую фазу с небольшими включениями β-фазы. После обработки появляются более крупные неоднородные скопления фрагментов β-фазы.

Образование дислокационных структур идёт в результате пространственно неоднородного развития пластической деформации (на расстояниях значительно превышающих средние междислокационные). Формирование дислокационного комплекса при обстреле потоком частиц приводит к возникновению неоднородных дислокационных образований. Плотность дислокаций в сильно деформированной зоне достигает ρ~6.3х1010 см -2.

Средний уровень концентрации частиц хрома при сверхглубоком проникании в АМг6 составляет 0.02-0.05% на глубину 25-30 мм. Максимум 0.1% хрома наблюдается на глубине 10 мм. Локальное изменение плотности регистрируется при обработке заготовки алюминиевого сплава АМг6 частицами хрома, имеется снижение плотности АМг6 с исходной 2.64 г/см3 до 2.6 г/см3.

Исследовано изменение микротвёрдости после обработки АМг6 потоком частиц вольфрама (ρ=19.3 г/см3, средний размер частиц составляет 10 мкм). Показано локально снижение микротвёрдости после обработки с исходной Нµ =750 МПа до Нµ ~ 650 МПа.

Следовательно, в совокупности структурные преобразования в алюминиевом сплаве могут иметь негативную тенденцию для материала преграды – она перестаёт выполнять защитные функции. В структуре кристаллической решётки могут возникать зоны несплошностей с дальнейшим развитием микроканальных структур и последующего разупрочнения всего массива материала, подверженного пробою.

Экспериментально зафиксировано образование нестабильных изотопов (Ушеренко Ю.С., Алексенцева С.Е., Ушеренко С.М. Исследование надёжности материалов внешних оболочек корпусов космических летательных аппаратов на орбите Земли в направлении взаимодействия с пылевидными фракциями // Технология металлов – М. – 2022.- №5.- С.52-56). Легирование микрозон дополнительными химическими элементами материала микроударников приводит к снижению пластичности технического алюминия и прочности оболочки.

При сверхглубоком проникании возбуждаются электромагнитные волновые излучения (корпускулярные). Высокочастотное ударное воздействие частиц формирует электромагнитное поле с излучением сложного спектра электромагнитных волн.

Таким образом, пылевые сгустки космических микротел могут проникать через защитные панели и при этом генерировать в объёме трека интенсивное сложное комбинированное излучение, поражать системы управления – механические и наводками электромагнитных волн.

При длительном воздействии микротел в алюминиевой оболочке могут образоваться охрупчивающие химические соединения. Многократный накопительный эффект, связанный с длительным воздействием микротел на защитные панели и возможно на корпус космического ЛА может привести к развитию процессов разупрочнения.

Метод тестирования материалов внешних оболочек космических летательных аппаратов от повреждающего воздействия фракций пылевых частиц на орбите Земли повышает надёжность материалов конструкций и их функциональную работоспособность.

Формула изобретения

Метод тестирования материалов внешних оболочек космических летательных аппаратов от повреждающего воздействия фракций пылевых частиц на орбите Земли, в котором используется кумулятивный заряд для метания микротел, отличающийся тем, что кумулятивный заряд является удлинённым и с увеличением массы заряда по длине, в кумулятивную выемку которого облицовывается метаемый слой частиц-имитаторов пылевых метеорных и техногенных частиц и их сгустков в соответствии со спектром физико-механических характеристик, расположенных соответственно по закону увеличения крупности вдоль заряда, что формирует продольно-протяжённое распределение в пространстве потока микротел в диапазоне скоростей 1-11 км/с, проникающих в фазе сверхглубокого проникания в материал.

Изобретение "Метод тестирования материалов внешних оболочек космических летательных аппаратов от повреждающего воздействия фракций пылевых частиц на орбите Земли" (Алексенцева Светлана Евгеньевна) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога