Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
С увеличением человеческой активности в околоземном космическом пространстве приобретает все большее значение проблема столкновений космических аппаратов с метеороидами и осколками космического мусора. Основную долю среди осколков космического мусора составляют частицы из алюминиевых сплавов (около 40 %). Для моделирования ударного воздействия метеороидов и осколков космического мусора на защитные конструкции космических аппаратов на этапе их отработки и испытаний в наземных условиях используются различные способы получения высокоскоростных компактных металлических элементов. Для решения этой проблемы могут быть применены легкогазовые баллистические установки [1, 2], электромагнитные ускорители различных схем, взрывные метательные устройства [3–5].
Скорость столкновения осколков космического мусора с космическим аппаратом может составлять до 16 км/c (удвоенная первая космическая скорость). Достижение скоростей металлических частиц такого уровня в наземных условиях возможно с использованием легкогазовых баллистических установок в сочетании на заключительном этапе ускорения с дополнительным ударно-волновым разгоном, реализуемым при ударном нагружении системы тонких пластин с подобранной определенным образом акустической жесткостью (зависящей от плотности материала пластин и скорости звука в нем) [1, 2].
Легкогазовые баллистические установки позволяют разгонять компактные твердые тела массой в несколько десятков грамм до скоростей на уровне 7 км/с (двухступенчатые установки) и массой порядка 1 г до 10 км/с (трехступенчатые установки). Использование в качестве третьей ступени ускорения в двухступенчатой легкогазовой баллистической установке соударения цилиндрического ударника, разогнанного до скорости примерно 7 км/с и имеющего на переднем торце вставку из слоев материалов с уменьшающейся кнаружи акустической жесткостью, с тонкой пластинкой позволяет ускорять последнюю до скоростей на уровне удвоенной первой космической скорости (≈ 16 км/с). В экспериментах [1] на переднем торце ударного элемента размещался набор слоев толщиной примерно от 0,3 до 1 мм из материалов с монотонно уменьшающимся акустическим импедансом I = ρ0c0 (ρ0 — плотность материала, c0 — скорость звука в нем) в последовательности тантал, медь, титан, алюминий, магний, полиэтилен. В качестве мишени использовались титановые и алюминиевые пластинки диаметром от 6 до 10 мм, толщиной от 0,7 до 1 мм и массой от 0,07 до 0,34 г. В результате соударения пластинки-мишени в зависимости от их размеров и массы приобретали скорость от 11,5 до 15,8 км/с. При этом коэффициент увеличения скорости (по отношению к скорости ударного элемента) составлял от 1,64 до 2,34.
Особенности ударно-волновых процессов в системе пластин с монотонно уменьшающимся акустическим импедансом исследовались в рамках плоской одномерной задачи механики сплошных сред. Для описания поведения материалов пластин использовалась модель идеальной сжимаемой жидкости с баротропным уравнением состояния в форме Тэта [6]. Задача решалась численно конечно-разностным методом Уилкинса [6]. В качестве материала ударного элемента, скорость которого бралась равной = 3 км/с, рассматривался тантал (ρ0 = 16,4 г/см3; c0 = 3,45 км/с; I = 56,6·106 кг/(м2·с)). Разгоняемая пластина, покоившаяся в начальный момент времени, была алюминиевой (ρ0 = 2,7 г/см3; c0 = 5,3 км/с; I = 14,3·106 кг/(м2·с)). Анализировались случаи, когда танталовый элемент соударялся непосредственно с алюминиевой пластиной-мишенью, а также когда между ними размещались промежуточные пластины из меди (ρ0 = 8,9 г/см3; c0 = 3,9 км/с; I = 34,7·106 кг/(м2·с)) и титана (ρ0 = 4,5 г/см3; c0 = 4,7 км/с; I = 21,2·106 кг/(м2·с)), которые находились в контакте между собой и с алюминиевой пластиной и, как и она, покоились в начальный момент времени. Толщины всех пластин принимались равными 1 мм, а продольный размер танталового ударного элемента составлял 10 мм.
По результатам решения сформулированной задачи определялась конечная скорость алюминиевой пластины-мишени, приобретаемая ей в итоге двух волновых процессов — сначала за фронтом распространяющейся в пластине ударной волны, а после ее отражения от тыльной поверхности пластины в волне разгрузки, приводящей к удвоению скорости, сообщенной за фронтом ударной волны. Были получены следующие коэффициенты увеличения скорости (отношения скорости алюминиевой пластины-мишени к начальной скорости танталового ударного элемента): 1,48 — в отсутствие промежуточных пластин; 1,54 — при использовании одной промежуточной пластины из меди; 1,58 — при использовании двух промежуточных пластин из меди и титана. Как показал анализ волновых процессов, при распространении ударной волны по промежуточным пластинам с уменьшающимся акустическим импедансом распад разрыва на границах контакта пластин приводит к уменьшению давления за фронтом ударной волны при ее переходе из одной пластины в другую с одновременным увеличением массовой скорости материала за фронтом. Этим и объясняется эффект увеличения скорости алюминиевой пластины-мишени при ударе по ней через набор промежуточных пластин.
С использованием акустического приближения, позволяющего получить аналитическое решение рассматриваемой задачи, были установлены предельные возможности увеличения скорости пластины-мишени с акустическим импедансом Im, соответствующие случаю, когда удар по ней ударного элемента, имеющего больший акустический импеданс Is и скорость , наносится через систему бесконечного числа бесконечно тонких пластин с непрерывно уменьшающимся от значения Is до значения Im акустическим импедансом. В отсутствие и при наличии такой системы пластин для скорости пластины-мишени получаются, соответственно, выражения
; ,
где kI = Is/Im. Если в первом случае при неограниченном увеличении соотношения импедансов (kI → ∞) предельный коэффициент увеличения скорости ограничивается значением 2, то во втором случае он растет неограниченно.
Таким образом, введение между ударным элементом и разгоняемой пластиной промежуточной системы пластин с монотонно уменьшающимся акустическим импедансом от значения, соответствующего материалу ударного элемента, до значения, соответствующего материалу разгоняемой пластины, позволяет существенно повысить эффективность преобразования кинетической энергии ударного элемента в кинетическую энергию пластины. Наибольшая эффективность может быть достигнута при использовании промежуточного разгонного слоя с непрерывным по его толщине уменьшением акустического импеданса. Возможности практической реализации такого способа ударного разгона пластин находятся в прямой зависимости от прогресса в области развитии технологий получения так называемых градиентных материалов [7] — материалов, функциональные свойства которых изменяются по их объему заданным систематическим образом.
