1.4. МЕТЕОРНАЯ ОПАСНОСТЬ

Общие сведения

Столкновения с метеорными частицами в зависимости от их размеров, количества, скорости и плотности, а также от места удара способны вызвать следующие повреждения КА:

пробои герметизирующей оболочки корпуса и повреждение отдельных элементов конструкции, агрегатов и систем, а также поражение космонавта;

эрозию внешних поверхностей (поверхностей с определенными радиационными характеристиками, солнечных батарей), оптических приборов и других устройств и деталей, размещенных снаружи КА, и ухудшение их рабочих характеристик;

откалывание частиц от внутренней поверхности оболочки корпуса, что может быть источником опасности для аппаратуры и экипажа.

Метеорную среду обычно характеризуют величиной потока метеорных частиц с массой m_i≥m₀ на единицу площади в единицу времени. В связи с тем что наблюдаются как временные (суточные, сезонные), так и пространственные вариации в распределении спорадических метеорных частиц, пользуются осредненными результатами измерений за большие промежутки времени (например, за год) по разным районам наблюдений.

Известно несколько моделей метеорной среды. Данные разных авторов иногда расходятся на несколько порядков, что объясняется как систематическими ошибками, заложенными в используемых методах (селективная чувствительность датчиков, отсутствие надежных количественных соотношений между данными наземных оптических или радиолокационных наблюдений и прямых измерений и т. д.), так и различием в значениях некоторых исходных величин, задаваемых при обработке результатов измерений (скорость метеорных частиц, плотность, характер распределения в пространстве и т. д.).

В литературе часто упоминается модель метеорной среды для околоземного пространства, предложенная Уипплом и имеющая вид

(1.5)

где N - поток метеорных частиц, частица х с^-1 x м^-2;

ρ₀ - плотность частицы, г/см³;

m₀ - масса частицы, г.

В этой модели средняя плотность метеорных частиц принята равной 0,44 г/см3, а скорость - 30 км/с.

Прямые измерения, проведенные на советской автоматической межпланетной станции (АМС) «Луна-19» в 1971 - 1972 гг. и на американских лунных и межпланетных КА в 1966 - 1974 гг., -показали, что поток микрометеорных частиц у Луны существенно не отличается по величине от потока в межпланетном пространстве и для m = 10^-13- 10^-7г может быть описан выражением

(1.6)

Исследования микрометеорных частиц в различных областях космического пространства вблизи Земли и у Юпитера показали наличие повышенной плотности метеорного вещества вблизи планет по сравнению с межпланетной средой. Интегральный поток частиц с массами m≥3 x 10^-12г на высоте 200 км от Земли превышает его величину в межпланетном пространстве примерно на -полтора порядка, а на высотах 350 - 400 км - почти не отличается от потока в межпланетном пространстве. Для высот 100 - 400 км среднее распределение частиц по массам имеет вид

(1.7)

Графики зависимостей (1.6) и. (1.7) показаны на рис. 1.6.

Вблизи других планет в зависимости от величины их электрических, магнитных и гравитационных полей, наличия или отсутствия атмосферы и т. п. можно ожидать наличия более или менее плотных и протяженных пылевых оболочек.

Предварительные результаты измерений на американском КА «Пионер-10» показали, что в астероидном поясе пото.к частиц резко увеличивается, причем основная масса частиц в этой области имеет размер 0,01 - 1 мм. Хотя и делается вывод, что опасность серьезного повреждения КА невелика, количество попаданий час-тип в КА «Пионер-10» оказалось большим, чем ожидалось до запуска.

Вследствие недостаточности данных распределение по массам частиц отдельных метеорных потоков (роев) принимают аналогичным распределению спорадических метеоров, но учитывают скорость, интенсивность, время и область действия конкретного потока (см. табл. 1.2).

Рис. 1.6. Поток спорадических метеорных частиц вблизи Земли, в межпланетном пространстве и у Луны: 1 - на удалении 200 км от Земли; 2 - на удалении 400 км от Земли; 3 - в межпланетном пространстве и у Луны

Полное число ударов частиц о поверхность КА в единицу времени равно сумме ударов спорадических метеоров и метеоров метеорных потоков. Произвольная направленность спорадических метеоров требует защиты всей поверхности КА, тогда как при воздействии одного метеорного потока возможна защита лишь той части поверхности, на которую проектируется его поперечное сечение. Однако на практике трудно определить предпочтительную ориентацию из-за возникновения более чем одного метеорного потока в любой период времени.

Оценка метеорной опасности

Оценка метеорной опасности - это определение вероятности столкновения с метеорными частицами определенной массы и разрушающего воздействия этих частиц на конструкцию КА. Особое внимание придается оценке опасности столкновения с метеорными частицами, способными пробить оболочку КА и вызвать наиболее тяжелые последствия,

Считая полный метеорный поток, с которым сталкивается КА, состоящим только из проникающих и непроникающих частиц, вероятность проникания rчастиц с массой m_i≥m_кр (i=1, 2,3,...,r) можно описать распределением Пуассона

(1.8)

где

N_p - средний поток метеорных частиц с массой m_i≥m_кр, которые способны пробить уязвимую поверхность КА;

F_м - площадь уязвимой поверхности КА;

τ - время пребывания в метеорной среде, с. Тогда из выражения (1.8) при r = 0 вероятность отсутствия пробоев

(1.9)

где N_p определяется выражениями (1.5) - (1.7), в которых

m_i = m_кр

Выражение (1.9) может быть использовано при разработке конструкции с заданной вероятностью отсутствия пробоев Р₀ или оценки ро для заданной конструкции.

Масса m_кр зависит от геометрических и прочностных характеристик силовой стенки, условий соударения и определяется эмпирическим путем. Основная трудность при этом состоит в том, что в лабораторных условиях пока не удается воспроизвести во всем диапазоне реальные скорости метеорных частиц. Для ориентировочных оценок можно использовать соотношения, полученные экспериментальным путем для определения максимальной (предельной) толщины стенки δ₀, при которой наступает сквозное разрушение при достаточно высоких скоростях удара

(1.10)

или при m₀ = (πρ₀d₀³)/6

(1.11)

где ρ₀, m₀, d₀ - плотность, масса и диаметр метеорной частицы (в одной системе единиц) соответственно;

ρ₁ - плотность материала стенки (в той же системе единиц);

v₀ - скорость метеорной частицы, км/с.

Зависимости (1.10) и (1.11) справедливы для типичных конструкционных материалов (сталь, алюминиевые сплавы, титан и др.).

Повреждение оболочки КА в виде осколков с ее внутренней поверхности может иметь место при толщине стенки в 2 - 3 раза большей, чем предельная толщина, определяемая зависимостями (1.10) и (1.И), что справедливо только для упругих материалов.

Защита от воздействия метеорных частиц

Защита КА от воздействия метеорных частиц состоит в создании конструкции, способной противостоять этому воздействию. В принципе возможны активные способы защиты, позволяющие уменьшить частоту соударений КА с метеорными частицами. На практике применяют пассивные (конструктивные) методы защиты: уменьшение поверхностей КА, уязвимых к метеорному воздействию; увеличение толщины стенки; применение защитных противометеорных экранов и крышек для предохранения установленных снаружи отдельных агрегатов, приборов и уязвимых поверхностей КА.

Наиболее эффективным средством защиты конструкции КА, позволяющим уменьшить толщину силовой стенки и общую массу конструкции, являются защитные противометеорные экраны, которые в равной мере снижают как вероятность пробоя силовой стенки, так и вероятность образования осколков с ее внутренней поверхности. Противометеорными экранами могут также служить кожухи, радиаторы СТР, элементы конструкции и т. п. Пробивая экран, метеорная частица в результате развивающихся в ней волновых процессов разрушается. Удар остатков частицы по силовой стенке, расположенной за экраном, распределяется по площади, во много раз превосходящей площадь сечения частицы, что вместе с потерей импульса частицы на пробивание и определяет защитное действие экрана.

Максимальный защитный эффект и минимальная масса конструкции обеспечиваются при оптимальных расстоянии (S) между экраном и стенкой и соотношении толщины экрана (δ) и силовой стенки (δ₀). Экспериментально установлено, что оптимальное расстояние между экраном и стенкой характеризуется безразмерной величиной

(при меньших значениях защитные свойства снижаются, при больших - практически не увеличиваются). Зависимость суммарной предельной толщины экрана и стенки

от толщины экрана

для экранов из алюминиевых сплавов, титана, стали и различных скоростей удара показана на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Зависимость суммарной толщины экранированной стенки и экрана от толщины экрана (δ₂ = δ₀ + δ/d₀; δ₃ = δ/d₀):1, 2, 3 - кривые, соответствующие удару «сталь - Д16» при v₀ = 5,5; 7,5 и 10 км/с; 4, 5 - удару «сталь - титан» и «сталь - сталь» при v₀ = 7,5 км/с (первым назван материал частицы, вторым - материал экрана; материал мишени - дюралюминий)

При очень тонких экранах δ₂ стремится к величине предельной толщины для незащищенной стенки. С возрастанием толщины экрана δ₂ уменьшается и достигает минимума при некотором оптимальном значении толщины экрана, зависящем от условий соударения. Дальнейший рост толщины экрана вызывает увеличение δ₂, продолжающееся до тех пор, пока δ₂ не становится сравнимой с предельной для данной скорости и материала.

Оптимальную экранную защиту можно рассчитывать по формуле

(1.12)

где

определяют из соотношения (1.10) или (1.11);

k - эмпирический коэффициент, зависящий от тех же параметров, что и δ₂.

Зависимость k от толщины

для экранов из алюминиевых сплавов, титана и стали и больших расстояний между стенкой и экраном (S1≥30) показана на рис. 1.8. Для приближенных расчетов рекомендуется выбирать толщину экрана из условия δ₀ = 0,5-0,6 и принимать k = 0,35 при больших расстояниях между экраном и стенкой и k = 0,7 при малых расстояниях (5≤S1≤ 20-25). Указанные значения коэффициента k и толщины экрана δ₃ обеспечивают определенный запас «непробиваемости» стенки при изменении плотности материала экрана в широком диапазоне.

Рис. 1.8. Зависимость k от δ₃ для экранов из алюминиевых сплавов, титана и стали в случае S1>30 (параметры удара для кривых 1-5 те же, что на рис. 1.7)

В ряде работ экспериментально показано, что в диапазоне достижимых скоростей удара 5 км/с ≤v₀ ≤12 км/с глубина поражения стенки при наличии экрана с ростом скорости удара падает, однако приведенные скорости затрагивают лишь нижний диапазон метеорных скоростей. При существенном повышении скорости удара, по мнению многих авторов, поражение стенки при больших расстояниях S₁ будет стремиться к нулю вследствие полного испарения материала ударяющей частицы.

Зависимость толщины одиночной стенки (сплошные линии) и суммарной толщины экрана и экранированной стенки (штриховые линии) от заданной вероятности отсутствия пробоя стенки для различных «экспозиций» Fτ показана на рис. 1.9. В расчетах использовалась метеорная модель Уиппла (1.5) при ρ₀ = 2,7 г/см³, v₀ = 30 км/с и допущении, что S₁>30 (при расчете экранированной стенки).

Рис. 1.9. Зависимость суммарной толщины экрана и экранированной стенки (штриховые) и толщины одиночной стенки (сплошные линии) от заданной вероятности отсутствия пробоя Р: 1 - 5 - кривые, соответствующие «экспозициям» Fτ: 4,5х10³; 1,1х10⁵; 6,75х10⁵; 1,7х10⁶ и 3,4х10⁶; м²хч

Результаты исследований и накопленный опыт показывают, что при полетах продолжительностью в несколько дней и недель в районе Земли и Луны для КА небольших размеров метеорная опасность невелика и ею можно пренебречь. Но при длительных космических полетах (около года и более), существенном увеличении размеров КА, а также при полетах в малоизученных областях Солнечной системы (за пределами орбит Марса и Венеры) метеорной опасностью пренебрегать нельзя.