Метод тестирования материалов внешних оболочек космических летательных аппаратов от повреждающего воздействия фракций пылевых частиц на орбите Земли Российский патент 2024 года по МПК G01N3/313 

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.

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. Сущность: используют кумулятивный заряд для метания микротел. 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. 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. 3 ил.

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.