Космический мусор — это не только нефункционирующие спутники и отработанные ступени ракет. Это ещё и микроскопические частицы, которые на огромных скоростях способны пробить обшивку действующего аппарата. Учёные из МГТУ имени Н.Э. Баумана решили выяснить, насколько эффективно двухслойная защита, известная как щит Уиппла, противостоит таким ударам, и сравнили её с обычной монолитной стенкой.
Щит Уиппла — это два слоя металла, разделённые зазором. Передний тонкий экран принимает на себя первый удар и разбивает частицу на множество мелких осколков. Эти осколки разлетаются в стороны, теряют энергию и уже не могут пробить заднюю стенку. Идея появилась ещё в 1940-х годах, и с тех пор она считается одним из самых надёжных способов защиты космических аппаратов от метеороидов и орбитального мусора.
Однако у этой схемы есть слабое место. При ударе на тыльной стороне задней стенки может возникнуть откол — своеобразный «отстрел» частиц металла внутрь аппарата. Даже если стенка не пробита насквозь, этот поток осколков представляет серьёзную опасность для оборудования и экипажа. Прежние исследования, как правило, оценивали защиту только по факту сквозного пробития, не учитывая откольные эффекты.
Авторы работы построили компьютерную модель, которая описывает поведение алюминиевых частиц и преград при скоростях от 1 до 15 километров в секунду. Учитывались не только прочность и сжимаемость материалов, но и их плавление, испарение и даже сублимация — переход из твёрдого состояния сразу в газообразное. Для этого использовались сложные уравнения состояния и критерии разрушения, которые проверялись по экспериментальным данным.
Расчёты показали, что при одной и той же массе двухслойный щит Уиппла выдерживает более крупные частицы, чем монолитная стенка. Но картина меняется в зависимости от скорости удара. При скорости до 3 километров в секунду частица ведёт себя как твёрдое тело и просто пробивает преграду. В диапазоне от 3 до 7 километров в секунду она плавится и разлетается на фрагменты. А при скоростях выше 7 километров в секунду материал частицы превращается в газ, и удар становится особенно опасным.
Учёные также сравнили удары сферических частиц и плоских цилиндрических дисков одинаковой массы. Оказалось, что плоские ударники представляют большую угрозу, особенно на скоростях выше 4–5 километров в секунду. У них больше площадь контакта с преградой, поэтому они эффективнее передают энергию и чаще пробивают заднюю стенку.
Отдельное внимание уделено материалу переднего экрана. Если он сделан из обычного алюминия, его осколки добавляют массу к ударнику и усиливают разрушительное воздействие на заднюю стенку. Но если использовать так называемые реакционноспособные материалы — например, композиты с фторопластовой матрицей и металлическим наполнителем, — картина меняется. Такие материалы при высокоскоростном ударе воспламеняются и сгорают в вакууме, не долетая до основной стенки. Это снижает давление на заднюю преграду и уменьшает поперечный импульс, разрушающий конструкцию.
Расчёты показали, что применение реакционноспособных бамперов особенно эффективно при скоростях выше 7 километров в секунду. Для вольфрамового наполнителя эффект оказался значительнее, чем для алюминиевого. Вместо одной предельной кривой, которая отделяет рабочую область от зоны пробития, учёные предлагают использовать две. Первая описывает начало сквозного пробития, вторая — начало откола на тыльной стороне. В зависимости от назначения аппарата можно выбирать более или менее консервативный критерий безопасности.
Практический вывод прост: двухслойная защита с реакционноспособным или пористым передним экраном может существенно повысить живучесть космических аппаратов. Это особенно важно для долгосрочных миссий, где вероятность встречи с орбитальным мусором растёт с каждым годом. Разработанные модели и критерии разрушения можно использовать при проектировании новых аппаратов, чтобы сделать их более устойчивыми к ударам микрочастиц на гиперскоростях.
Исследование опубликовано в журнале «Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук»
Изображение на обложке: разработано Magnific
