ЦНИИмаш Стойкость космических аппаратов к высокоскоростным ударам микрометеоритов

ЦНИИмаш Стойкость космических аппаратов к высокоскоростным ударам микрометеоритов и осколков космического мусора. Разработка экранных защитных конструкций для Международной космической станции Проектирование, расчет, испытания

ЦНИИмаш Основной объект, требующий защиты от ударов микрометеоритов и осколков космического мусора – Международная космическая станция

ЦНИИмаш 1997 … 2014 годы – участие в разработке экранной защиты модулей российского сегмента МКС 1997 -2002 ОКР “Защита СМ”, 2003 -2012 ОКР “МКС” (Пробой), 2013 -2015 ОКР “МКС” (Надежность-наука) договора с РКК “Энергия” ● Разработка дополнительных защитных экранов для служебного модуля МКС ● Разработка унифицированной экранной защиты для модулей Российского сегмента МКС ● Отработка ЭЗК для модулей: МИМ 1, МИМ 2, НЭМ МКС ● Разработка защиты для перспективных трансформируемых (надувных) модулей ● Экспериментальное исследование остаточного ресурса стекол иллюминаторов МКС с повреждениями от ударов метеороидов

ЦНИИмаш Масштаб опасности: Модели осколочно-метеорной обстановки NASA 91, ORDEM 96, ORDEM 2000, (NASA) MASTER 2001 (ESA) Spase Debris Prediction and Analysis 2000 (Россия) 103 ORDEM MASTER SDPA Поток частиц 1/м 2/год 10 -1 10 -4 10 -7 0 0. 1 1 10 100 Размер, мм

ЦНИИмаш

ЦНИИмаш Осколочная опасность со временем возрастает. ● Существующие модели предсказывают экспоненциальное размножение ОКМ от взаимных столкновений по достижении некоторой их критической плотности ( «синдром Кесслера» ). ● В 1995 г Национальная Академия Наук США сообщала о достижении критической плотности ОКМ на отдельных орбитах. ● Взрыв одной ступени РН увеличивает число осколков D> 10 см на ~ 10 % ● После китайского испытания (2007 г ) противоспутникового оружия обнаружена тысяча обломков D>10 см на высотах 160… 3200 км, а число дополнительных осколков по оценкам порядка миллиона штук. ● Специалисты ESA и NASA предсказывают возрастание (от 5% сейчас) до 40… 70 % (в ближайшие 10… 15 лет) разрушение ИСЗ от удара осколком с размером 1… 10 см.

Существует статистика аварийных ситуаций, которые могут быть отнесены на счет соударений КА с микрометеоритами и осколками космического мусора ЦНИИмаш ● Повреждения поверхностных элементов Шаттлов и внезапные отказы спутников. ● Установлено, что французский спутник уничтожен осколком от взрыва 3 -ей ступени «Ariane» . ● За 24 часа пребывания в открытом космосе у складского модуля MPLM Накопилось 11 повреждений, в том числе с двумя перфорациями диаметром 1, 4… 2, 5 мм алюминиевого бампера толщиной 0, 8 мм его защиты ● На стекле иллюминатора ДОС «Салют-7» обнаружена выбоина диаметром 4 мм. ● На лобовом стекле американского корабля «Челледжер» наблюдался лицевой скол диаметром 25 мм и глубиной 5 мм. ● На иллюминаторе № 7 СМ образовалась каверна диаметром 3… 5 мм и множественные повреждения стекол иллюминаторов ● Имеются следы трёх ударов на тепловой трубе преобразователя постоянного тока (МКС) ● Выход из строя (2006 г) геостационарного спутника связи «Экспресс-11 М» с мгновенной разгерметизацией жидкостного контура СТР.

ЦНИИмаш 10 мм Размеры частицы ≈ 2, 5 -3 мм. Если бы защита модуля ФГБ была бы такой же, как на станции “Мир”, то гермооболочка ФГБ была бы пробита. Следы удара осколка по защищенной зоне гермооболочки МКС (ФГБ) (размеры клетки на ЭВТИ 10 10 мм)

ЦНИИмаш Пробой панели солнечной батареи станции “Мир”. ( размер отверстия ~ 5 мм)

ЦНИИмаш Энергетика соударения с частицей Масштаб энергии частицы ~ 50 к. Дж 1 г энергетический эквивалент удара частицы 1 т 10 км/c 5 м Энергия нагрева и испарения 1 г Al составляет ~25 к. Дж, т. е. процесс преобразования энергии частицы в энергию разрушения локализован в области размером порядка сантиметров

ЦНИИмаш Облако осколков за пробиваемым экраном. Теневые фотографии и результаты расчета

ЦНИИмаш Следы расплава частицы и экрана на поверхности макета стенки гермоотсека

ЦНИИмаш Опасности соударения частиц с космическим кораблем ● пробой стенки ГО (гипоксия экипажа, поражение облаком осколков или ударной волной; повреждения осколками или ударной волной элементов системы жизнеобеспечения или критического оборудования; разрушение корпуса ударной волной) ● масштабные разрывы в стенках корпусов модулей, сосудах давления, топливных баках; ● потеря тяги ( утечка из ТБ, пробой трубопроводов, разориентация от реактивных струй протечек) ; ● нарушения электропитания ● повреждения энергетически-опасного или критического оборудования.

ЦНИИмаш Нормативная база для отработки экранной защиты 1. ГОСТ 25645. 128 -85 Вещество метеорное. Модель пространственного распределения. 2. ОСТ 134 -1023 -2000 Изделия космической техники. Общие требования по ограничению техногенного засорения околоземного космического пространства. 3. ОСТ 134 -1022 -99 Пространство околоземное космическое. Модель пространственно-временного распределения плотности потоков техногенного вещества. 4. Спецификация SSP 41163 на модули российского сегмента МКС. 5. Спецификация SSP 50094. Объединенный документ NASA /РКА по спецификациям и стандартам для РС МКС (метеороидная модель NASA). 6. The New NASA Orbital Debris Engineering Model ORDEM 2000, NASA/TR-2002 -210780, May 2002 (модель техногенной среды НАСА).

ЦНИИмаш В соответствии с требованиями Спецификации SSP 41163 на модули МКС основной показатель стойкости МКС к ударам микрометеоритов и осколков космического мусора – ВНП (вероятность непробоя в течение 15 лет пребывания на орбите) должна составлять не менее 0, 976. Такая ударостойкость может быть достигнута только введением в конструкцию модулей специальных экранных защитных конструкций (ЭЗК)

ЦНИИмаш Диаметр осколка, мм Уровень защищенности (баллистические пределы) различных модулей Международной космической станции от ударов микрометеоритов и ОКМ СМ (Россия) 18 ФГБ(Россия) пробитие US Lab, US Hab (США) 16 Columbus (ЕКА) JEM (Япония) 14 12 10 8 6 6 4 2 10 M M O B B 2 O 24 D as B 2 - D 4 M eli JE 1 2 G O 14 nе E D 1 4 13 7 1 8 3 10 16, 6 19 11 1 18 5 4 1 17 L M M a O O b, 8 D D 22 e 3 5 n d c o n e M O D 6 M O D 1 C y li n d e r P o rt C o n e S t a r b o a r d непробитие Номера защищаемых зон, модули МКС и типы ЭЗК

ЦНИИмаш Основной принцип действия защитного экрана (Wipple) без экрана с экраном

ЦНИИмаш Принципиальная схема двухэкранной защитной конструкции Первый (лицевой) экран разрушает частицу Второй экран парирует тепловой удар по конструкции и уменьшает плотность облака продуктов разрушения Защищаемая стенка воспринимает безопасную распределенную импульсную нагрузку

ЦНИИмаш Макет стенки гермоотсекапосле испытаний

ЦНИИмаш Диаметр частицы Основная характеристика стойкости конструкции к ударам частиц баллистическая предельная зависимость Область пробивания Область непробивания Скорость удара

ЦНИИмаш Масса экрана (на 1 кв. м защищаемой поверхности) в применяемых ЭЗК более чем в 2 раза превосходит массу стенки гермоотсека. Однако “перекачка” массы экрана в массу стенки нерациональна Конструкции с одинаковыми баллистическими пределами Соотношение масс при одинаковой стойкости

ЦНИИмаш Методическую основу разработки ЭЗК составляют: ● выбор конструктивной схемы экранной защиты (материалы и структура экранов) ● испытания образцов экранов с имитацией удара при скоростях: - до 7 км/с на легкогазовой баллистической установке, - до 4 км/с на пороховой баллистической установке ● расчет баллистических предельных зависимостей на основе комплекса инженерных методик (при возможном использовании компьютерных моделей высокого уровня)

ЦНИИмаш Инженерная методика расчета баллистических предельных зависимостей основана на использовании: - физических моделей отдельных этапов взаимодействия частицы с ЭЗК, - законах сохранения массы, энергии, импульса, эмпирических данных, - упрощенных моделях пробивания, разлета облака продуктов разрушения, - инженерных методах расчета прочности защищаемой конструкции

ЦНИИмаш Легкогазовая баллистическая установка для ускорения калиброванных частиц массой ≈1 г до скоростей 6… 7 км/с

ЦНИИмаш Имитация ударного воздействия метеороидов и осколков космического мусора при скоростях удара 2… 7 км/с на основе взрывных методов Внешний вид взрывного метательного устройства Внешний вид и схема газокумулятивного устройства Пороховая баллистическая установка Калибром 14 мм 25

ЦНИИмаш Моделирование ударного воздействия метеороидов и осколков космического мусора Расчетные модели кумулятивного устройства и стадии формирования компактной частицы

ЦНИИмаш Характерный вид пробитых экранов и защищаемой конструкции Защищаемая стенка Промежуточный экран Лицевой экран

ЦНИИмаш Характерный вид экранов и защищаемой конструкции при отсутствии пробоя Лицевой экран Промежуточный экран Макет защищаемой конструкции

ЦНИИмаш Принципиальная схема дополнительной экранной защиты Служебного модуля МКС

ЦНИИмаш Защитные экраны, установленные на служебном модуле МКС

ЦНИИмаш Разработка ЭЗК для Многоцелевого лабораторного модуля МКС 13 a 14 c 16 a 25 a 18 b 18 c 18 d 2 c 11 a-2 11 c-1 11 a-1 11 c-1 14 a 12 a 24 a 21 a 20 a 18 b 18 c 18 d 8 a 17 a 5 a 6 a 15 a 9 a 19 b 19 a 6 f 5 b 6 b 19 d 9 b 1 a-1 1 a-2 3 Классификация критичных зон МЛМ 4 a-2 4 a-1 1 b-5 1 b-4 1 b-3 1 b-2 1 b-1 2 a-2 2 a-1

ЦНИИмаш Принципиальная схема двухэкранной защитной конструкции для МЛМ 1 – лицевой монолитный экран с рельефной поверхностью или объемная фильтровая сетка; 2 – теплозащитный пакет промежуточного экрана (слои базальтовой ткани ТБК-76, асбестовой ткани); 3 – силовой пакет промежуточного экрана (слои ткани на основе нити Армос); 4 – защищаемая стенка гермоотсека МЛМ. 1 S 1 2 S 2 3 4

ЦНИИмаш по толщине стекла Характерное повреждение стекла иллюминатора ударом частицы в плане

ЦНИИмаш Создание экспериментальной методики и стенда для имитации высокоскоростных ударов микрометеоритов и осколков космического мусора на стекла иллюминаторов. Разработка критериев оценки остаточного ресурса стекол с кратерными повреждениями. ЦНИИмаш, РКК “Энергия”, Институт технического стекла (ОАО НИТС) Бортовой мониторинг повреждений стекол иллюминаторов Имитация повреждений в наземных условиях и исследование остаточной прочности стекол Разработка методики прогнозирования остаточного ресурса стекол по данным бортового мониторинга

ЦНИИмаш Диалог Россия-ЕС по сотрудничеству в сфере космоса (из Протокола встречи Рабочей группы в октябре 2008 г. ) 8. Разработка и испытания иллюминаторов Российское контактное лицо: Валерий Фельдштейн, ЦНИИмаш Контактное лицо ЕКА: Торбен Хенриксен С российской стороны это будет совместный проект ЦНИИмаш, РККЭ и Института технического стекла. ЕКА предложило две фазы, первая – определение критериев и технических требований для материалов иллюминаторов, методов осмотра и т. п. , а вторая – разработка и испытания опытового образца. В рамках Фазы 1 для промышленных исследований ЕКА планирует 100 тыс. евро. ЕКА предложит партнера от европейской промышленности для данной работы. ЕКА рассмотрит возможность изыскать финансирование для Фазы 1 и выдаст предполагаемый заказ ЦНИИмашу. По получении заказа, ЦНИИмаш передаст ЕКА предложения по Фазе 1.

ЦНИИмаш Перспективная концепция обеспечения герметичности орбитальных и межпланетных КА в условиях осколочно - метеорного воздействия: самогерметизация Механизмы самогерметизации гермоотсеков при пробое : ● химический, при котором герметизирующее вещество образуется в результате реакции, инициируемой соединением реагентов при пробое, ● механический, при которых герметизация происходит путем перекрытия отверстия некоторым телом, ● комбинированный, сочетающий оба упомянутые механизма.

ЦНИИмаш Одна из возможных схем реализации химического механизма самогерметизации Р 1 4 0 2 5 3 Р 1 атм 1 – обшивка модуля 2 – герметизируемое отверстие 3 – полимерные трубки со смесями А и В 4 – обшивка внутренняя 5 – отверстие во внутренней обшивке направление потока воздуха направление движения реакционно- способных смесей А и В. Схема процесса самогерметизации химического типа: движение реакционно- способных смесей и потоков воздуха

ЦНИИмаш Направления работ: ● Выбор исходных материалов для герметизирующих композиций, разработка механизма смешения, проверка эффективности химического принципа герметизации. ● Разработка конструктивных схем герметизирующейся конструкции, основанной на механическом принципе; проверка эффективности механического принципа герметизации. ● Разработка испытательного стенда для экспериментальной отработки макета самогерметизирующейся конструкции в условиях удара высокоскоростной частицы. ● Проведение испытаний опытной самогерметизирующейся конструкции в условиях пробоя высокоскоростной частицей. ● Разработка предложений по проектированию самогерметизирующихся конструкций перспективных космических аппаратов.

ЦНИИмаш Надувные космические модули: многослойные гибкие трансформируемые оболочки

ЦНИИмаш Конструкция многослойной трансформируемой гибкой оболочки модуля

ЦНИИмаш Надувные космические модули: Структура многослойной гибкой трансформируемой оболочки

ЦНИИмаш Экспериментальное исследование макета противометеороидной защиты стенки надувного трансформируемого модуля на высокоскоростной удар алюминиевой частицы Элементы пакета внешней защиты после испытаний Элементы пакета внутренней защиты после испытаний

ЦНИИмаш Расчетное исследование ударной стойкости макета противометеороидной защиты стенки надувного трансформируемого модуля при ударе высокоскоростной алюминиевой частицы