CC BY
39
УДК 620.17
ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ УДАР ПО СТЕКЛОТЕКСТОЛИТУ
М.В. Житный, П.С. Гончаров, Э.Г. Синельников, В.В. Мартынов
Показаны результаты экспериментов по высокоскоростному соударению стального ударника с преградой, изготовленной из стеклотекстолита марки СТЭФ-У на скоростях в диапазоне 1800...2500 м/с, которые проведены в Военно-космической академии имени А. Ф.Можайского. Рассмотрены особенности повреждений материала преграды и ударника. Произведено измерение остаточной массы ударника после соударения.
Ключевые слова: высокоскоростной удар, экспериментальные исследования, космический мусор, двухступенчатая легкогазовая установка, космический аппарат.
Одной из задач при проектировании космической техники является задача минимизации габаритов и массы конструкции при обеспечении выполнения заданных тактико-технических параметров. Одно из возможных решений данной задачи заключается в использовании композитных материалов различного вида. Композитный материал представляет собой неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Важнейшее преимущество композитов - возможность создания из них элементов конструкции с заранее заданными свойствами, наиболее полно соответствующими характеру и условиям работы. Многообразие волокон и матричных материалов, а также схем армирования, используемых при создании композитных конструкций, позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и макроструктуры композита.
Однако на околоземных орбитах такие конструкции могут подвергаться наряду с другими воздействующими факторами высокоскоростному ударному воздействию со стороны метеороидных частиц и частиц «космического мусора». Зачастую в качестве материалов, из которых изготавливаются защитные элементы космического аппарата (КА), используют различные виды металлов. Поэтому большое количество экспериментальных исследований связаны именно с оценкой высокоскоростного взаимодействия имитаторов частиц «космического мусора» (ударника) с металлической преградой (например, выполненной из специальных алюминиевых сплавов) [1]. В тоже время проводились эксперименты и по исследованию взаимодействия ударников, изготовленных из различных материалов, с преградами, выполненными из композитных материалов, например, стеклотекстолита [2]. Анализ этих экспериментов показал, что результаты
для пары «сталь - стеклотекстолит» получены при скоростях ударника свыше 3 км/с. Вместе с тем, как показывают проведенные расчеты, высокоскоростное соударение в околоземном пространстве возможно и при меньших скоростях [3].
В рамках данной статьи рассматриваются результаты экспериментальных исследований высокоскоростного соударения стального ударника и преграды, изготовленной из стеклотекстолита марки СТЭФ-У, выполненные в Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского.
Исследования проводились с использованием экспериментального баллистического комплекса БС-3, основой которого является двухступенчатая легкогазовая установка [4]. Стенд позволяет проводить высокоскоростное метание тел диаметром 1...14,3 мм (с массой 0,001...20 гр) со скоростями до 5000 м/с с возможностью проведения экспериментов в условиях вакуума.
В качестве ударников в экспериментах использовался шарообразный ударник, выполненный из стали марки ШХ-15. В качестве преграды использовалась мишень размерами 190*290 мм, толщиной 15 мм, изготовленная из стеклотекстолита марки СТЭФ-У.
Материал преграды представляет собой многослойный материал, состоящий из нескольких слоев стеклоткани, уложенных параллельными слоями с толщиной слоев 0,1...0,3 мм, пропитанных и склеенных между собой под высоким давлением полимерной термореактивной смолой. Основными достоинствами данных композиционных пластиков являются высокие диэлектрические и механические свойства по сравнению с большинством пластмасс, высокая стойкость к агрессивной среде, влаге и ряд других. Благодаря этим свойствам данные виды материалов широко используются в различных отраслях, в том числе в авиационной и ракетной технике. Стеклотекстолиты СТЭФ-У отличаются от аналогичных материалов более высокой механической прочностью, стабильностью электрических свойств, а также возможностью эксплуатации в диапазоне температур от -60 до +1800С. Плотность СТЭФ-У составляет 1700...1900 кг/м3.
Как известно, в волокнистых композитах высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, и обеспечивают жесткость и прочность композиции в направлении ориентации волокон. Податливая матрица, заполняющая межволокнистое пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела «матрица - волокно». Следовательно, механические свойства композита определяются тремя основными параметрами [2]:
- высокой прочностью армирующих волокон;
- жесткостью матрицы;
- прочностью связи на границе «матрица - волокно».
Соотношения этих параметров характеризуют весь комплекс механических свойств материала и механизм его разрушения.
После взаимодействия частицы, имеющей высокую начальную скорость, с преградой из стеклотекстолита в результате визуального осмотра наблюдаются следующие зоны разрушений (рис. 1):
- каверна, образующаяся в результате внедрения ударника вглубь преграды 1;
- зона сплошного выброса материала преграды 2;
- зона повреждения, обусловленная расслоением материала преграды 3.
■Ч ■ ** »ДО | ЯЫР
3
■ шшш
Рис. 1. Зоны разрушений материала преграды
Устойчивость любого твердого тела к распространению трещин определяется механизмом поглощения энергии в вершине растущей трещины. В композитах поперечные растягивающие напряжения на конце растущей трещины приводят к отслаиванию волокон от матрицы, а сдвиговые напряжения на границе раздела - к распространению отслоенных участков вдоль волокон. При отслаивании затрачивается энергия, уходящая на перемещение волокон относительно матрицы. При дальнейшем нагружении до разрушения волокна могут разрываться в матрице вдали от плоскости распространяющейся трещины. Поэтому для армированных материалов характерны такие механизмы повышения вязкости разрушения, которых нет у гомогенных материалов. Размер области расслоения зависит от структуры армирования материала и ориентации элементов слоя относительно направления удара [5]. Так как армирующие волокна слоя СТЭФ-У имеют ортогональную укладку, то это приводит к ортотропии свойств в
180
плоскости армирования. Анализ характера расслоения материала подтверждает этот факт, поскольку указанные выше зоны являются в общем случае концентрическими окружностями.
Эксперименты по высокоскоростному соударению стального ударника и мишени, изготовленной из стеклотекстолита СТЭФ-У, проводились для диапазона скоростей 1800...2500 м/с, в котором были определены три опорные скорости 1800, 2200 и 2500 м/с. В связи с тем, что подготовка к проведению каждого эксперимента из серии требует больших временных затрат, то количество испытаний для каждой опорной скорости было ограничено пятью.
Измерение размеров зон разрушения показало, что в силу особенностей характера разрушений стеклотекстолита (см. рис. 1) точное измерение границ зон разрушения не представляется возможным.
Обработка полученных результатов проводилась с использованием распределения Стьюдента. При этом расчет проводился для доверительной вероятности, равной 0,95. Результаты обработки данных экспериментов представлены в табл.1.
Таблица 1
Результаты обработки данных экспериментов
№ п/п Скорость ударника, м/с Диаметр каверны, мм Диаметр отслоения, мм Глубина входного отверстия, мм Энергия ударника, Дж
1 1810 ±27 0,72 ± 0,08 7,5 ± 0,4 7,9 ± 0,06 53,5±0,1
2 2175 ±31 1,28 ± 0,06 10,2 ± 0,8 9,9 ± 0,13 77,3±0,1
3 2510 ±36 1,51 ± 0,05 13,0 ± 0,4 12,2 ± 0,17 102,9±0,2
Анализ данных табл.1 показывает, что с ростом скорости ударника происходит увеличение размеров зон разрушения преграды при неизменности их характера. Проведенные замеры показали, что при скорости ударника около 1800 м/с площадь отслоения составляет порядка 65 мм (при площади входного отверстия 1,76 мм ), а при скорости 2500 м/с площадь отслоения составляет уже 130 мм и превышает площадь сечения входного отверстия более чем в 40 раз.
На рис. 2 представлены изображения извлеченных из преграды ударников для различных скоростей соударения.
Анализ рис.2 позволяет заключить, что при росте скорости степень разрушения ударника увеличивается. Так, например, для опорной скорости ударника 1800 м/с разрушений и изменений формы ударника не наблюда-
181
ется. Однако при дальнейшем увеличении скорости возникают сначала единичные (опорная скорость 2200 м/с), а затем и множественные повреждения (опорная скорость 2500 м/с).
1800 м/с 2200 м/с 2500 м/с
Рис. 2. Форма ударника для различных скоростей соударения
Для проверки предположения об увеличении степени повреждения ударника с ростом скорости авторами был проведен дополнительный эксперимент для скорости 2700 м/с, который не был включен в итоговую выборку. Его результаты показали, что при данной скорости ударник полностью разрушается, а образующиеся фрагменты слишком малы для их визуального обнаружения.
Внешний вид повреждений позволяет предположить, что начальные разрушения возникают в области повышенной концентрации напряжений, образующейся в месте соприкосновения пресс-форм, формирующих начальную шарообразную форму ударника в процессе его изготовления.
В ходе обработки экспериментальных данных были проведены замеры остаточной массы ударников, которые проводились с помощью лабораторных весов ВЛ-224В. Результаты приведены в табл.2.
Таблица 2
Результаты замеров массы ударника для различных скоростей
Скорость, м/с Начальная масса, мг Конечная масса, мг
1815 32,5 32,6
2275 32,6 32,5
2510 32,6 32,6
Анализ данных табл.2 показывает, что масса ударника до и после эксперимента сохраняется, а небольшое отклонение значений обусловлено погрешностью измерительного прибора.
С учетом вышесказанного можно заключить следующее. При внедрении стального ударника в преграду из стеклотекстолита СТЭФ-У с ростом скорости ударника увеличивается степень его разрушения. При превышении значения некоторой пороговой скорости, которая для данных ус-
ловий проведения эксперимента лежит в диапазоне 2500...2700 м/с, происходит разрушения ударника с образованием фрагментов. Сохранение массы ударника косвенно указывает на тот факт, что в процессе взаимодействия не происходит разогрева материала ударника выше точки его плавления, а его разрушение в большей степени обусловлено процессом пластической деформации.
Структура композитного материала преграды оказывает большое влияние на характер дополнительных зон разрушения. Так, например, для стеклотекстолита СТЭФ-У, имеющего ортогональную укладку слоев и, как следствие, ортотропию свойств, формы дополнительных зон разрушения представляют собой концентрические окружности (рис.1). Исследование участков внедрения ударников в материал преграды показало, что в отличие от металлических преград имеет место образование удлиненных каверн, что может объясняться низким ударным импедансом и малой плотностью стеклотекстолита - в 1,5 раза меньше алюминия.
Таким образом, проведенные экспериментальные исследования позволили выявить основные особенности поведения материалов пары «стальной ударник - стеклотекстолит» при соударении со скоростями в диапазоне 1800.2500 м/с и определить закономерность между скоростью ударника и степенью разрушения ударника и преграды. Результаты исследований могут использоваться при разработке противометеорной защиты КА.
Список литературы
1 Методика постановки экспериментальных исследований по взаимодействию компактных ударников с разнесенной мишенной обстановкой / М.Я.Водопьянов, А.А.Клюквин, Н.М.Тимофеев, С.С. Ветелев // Моделирование влияния космического мусора на элементы орбитальных станций и космических аппаратов (МО РФ). М., 1997. С. 40-48.
2. СильвестровВ.В., ПластининА.В., ГоршковН.Н. Высокоскоростной удар по стеклотекстолиту // Физика горения и взрыва. 1995. Т.31. №3. С. 92-103.
3 Методика подготовки данных для экспериментальных исследований взаимодействия высокоскоростных частиц с элементами конструкции космического аппарата/ П.С.Гончаров,М.В. Житный, В.В.Мартынов, Т.С. Хубларова// Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017. Вып. 11. Ч. 3. С. 68 - 75.
4. Тимофеев Н.М. Экспериментальный баллистический комплекс / П.С.Гончаров[и др.] // Вопросы оборонной техники. Сер. 16«Технические средства противодействия терроризму». 2013. №3 - 4. С.120-122.
183
5. Вашуков Ю.А. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композитных материалов Мультимедийный образовательный модуль / МинобрнаукиРосиии, Самара:Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (Нац. исслед. ун-т). Электрон. текстовые и граф. дан. (3766 Кбайт, печатный аналог 185с.). 2012[Электронный ресурс]
Житный Михаил Владимирович, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник, vka@ mil.rH, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Гончаров Павел Сергеевич, канд. техн. наук, начальник отдела, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Синельников Эдуард Геннадьевич, старший научный сотрудник, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Мартынов Виктор Васильевич, старший научный сотрудник, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
HIGH-VELOCITY IMPACT WITH FIBERGLASS M.V. Zhitnyy, P.S. Goncharov, E.G. Sinelnikov, V.V. Martinov
Exmerimental result of high-velosity impact steel space debris imitator with fiberglass is shown. Research was conducted for speed 1,8...2,5 km/s. Imitator and fiberglass destruction is shown. Impact residual weight measurements were made.
Key words: high-speed impacts, space objects, experiment, light-gas installation, space debris.
Zhitnyy Mihail Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, senior researcher, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Goncharov Pavel Sergeevich, candidate of technical sciences, head of department, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Sinelnikov Eduard Gennadievich, senior researcher, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Martinov Victor Vasilievich, senior researcher, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
