Оценка метеорно-техногенной опасности

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им.академика С.П.Королева
Кафедра
“Летательные аппараты”
В.И.КУРЕНКОВ
Л.Г.ЛУКАШЕВ
Л И ЮМАТТТЕВ
ОЦЕНКА
МЕТЕОРНО-ТЕХНОГЕННОЙ
ОПАСНОСТИ ПОЛЕТА
КОСМИЧЕСКОГО
АППАРАТА
Учебное пособие по курсам:
“Устройство КА ”,
“Конструкция и проектирование К А ”
Зав. каф.ЛА
____________ Салмин В.В.
“
“
2003 г.
САМАРА
2003
УДК 629.7
Куренков В.В., Лукашев Л.Г., Юмашев Л.П.
Оценка метеорно-техногенной опасности полета космиче­
ского аппарата: Учебн.пособие. - Самара:
Самар. аэрокосм.ун-т.Самара,2003......................
В пособии представлены теоретические основы расчета веро­
ятности непробоя оболочки КА метеорными и техногенными
частицами. Эта вероятность может быть использована для
оценки проектируемого КА с точки зрения безопасности этого
аппарата. Приведены теоретико-экспериментальные материа­
лы, на основании которых разработаны математические модели
метеорного и техногенного окружений КА, методики по­
строения математических моделей поверхности КА и вычис­
ления вероятности непробоя поверхностей КА метеорными и
техногенными частицами. На основании этих моделей разра­
ботана программа для ЭВМ .
Дана модель вычисления числа пробоин за время активного
существования КА и степени эрозии оптических поверхностей.
Пособие может быть использовано при выполнении курсовых
и дипломных проектов по проектированию КА, а также при
проектировании новых и оценке уже спроектированных КА.
Табл...................
Рецензенты:
И л...............................
С
Самарский государственный
аэрокосмический университет 2003
Введение
На космические аппараты(КА) в космосе воздействует окружение,
сильно отличающееся от земного. Это - вакуум, различного рода излучения, ме­
теорное вещество, техногенные частицы и пр. При проектировании КА задают­
ся проектные параметры ( допустимая вероятность непробоя оболочек отсеков
и КА целиком, допустимая площадь эрозии поверхностей, время жизнедеятель­
ности отсека с газом, если оболочка отсека получила несколько пробоин, а сам
отсек имеет систему наддува и т.п.). Оценка опасности полета заключается в
сравнении значений параметров, полученных расчетным путем, с заданными
в проектной документации.
Настоящее учебное пособие посвящено оценке опасности полета КА в
метеорно-техногенном окружении. В таблице 1 даны примеры сравнений
опасности полета при различных параметрах повреждения.
Примеры повреждения
Параметр повреждения
1. Пробой оболочки отсека
2. Отсек получил несколько
пробоин
3. Поверхность отсека
покрылась эрозией
Таблица 1
Оценка опасности
- КА выходит из строя,
если отсек герметичен;
- факт пробоя игнори­
руется, если отсек к
пробоям безразличен
- см.п. ;
- при наличии системы
наддува ( или без нее )
КА выходит из строя,
если давление в отсеке
станет меньше допусти­
мого;
1
- площадь поверхности ,
покрытой эрозией ,
такова, что работоспо­
собность резко ухуд­
шится;
3
В пособии даются методики вычисления повреждений, перечисленных в
таблице N1. Все эти методики объединяются в главной математической мо­
дели, которая, в свою очередь состоит из следующих частных математических
моделей:
- модель метеорного окружения;
-модель техногенного окружения;
- модель взаимодействия высокоскоростных механических частиц
(ВСМЧ) с преградами;
-модель описания геометрии оболочек КА;
- модель конструкции оболочек и защита их от воздействия мете­
орных и техногенных части;
-модель определения вероятности непробоя оболочек КА;
- оценка метеорно-техногенной опасности полета КА;
- оценка возможности эксплуатации КА, имеющего несколько про­
боин;
- оценка степени эрозии поверхности оболочек КА.
Основываясь на положениях, изложенных в моделях, составлены три,
связанных между собой, программы для ЭВМ на языке ПАСКАЛЬ:
- U M M T 31 .EXE - Ввод исходных данных КА;
- UMMT3_2.EXE - Контроль ИД и вывод их на экран и принтер;
- UMMT3_3 .EXE - Расчет вероятности непробоя КА метеорными и тех­
ногенными частицами и выдача схемы уяззвимости оболочек КА.
Представлены описание последовательности выполняемых расчетных
операций и пример расчета КА.
Содержание пособия основано на документации, указанной в списке ис­
точников и на результатах теоретико-экспериментальныъ работ в лаборатории
ОНИЛ-17 при кафедре “Летательные аппараты” СЕАУ и на предложениях, ка­
сающихся модели метеорного окружения, принятые на сессии COSPAR (
Committee Of SPAse Research).
В приложении к пособию есть ГМД с программами расчета, листинг и
описание этих программ.
Содержание и полнота изложенного материала контролировались про­
фессором кафедры ЛА Лукашевым Л.Е., написание, отладкка программы и ра­
бота над текстом пособия осуществлялись профессором кафедры ЛА Куренковым В.И. и доцентом кафедры ЛА Юмашевым Л.П.
4
1. МЕТЕОРНО-ТЕХНОГЕННОЕ ОКРУЖЕНИЕ КА
Физическая модель метеорного вещества описана в / 1 / а техногенного
окружения в / 3 /.
Соударение с метеорными и техногенными частицами происходит слу­
чайным образом, поэтому вычисление главного показателя - вероятности не­
пробоя оболочки КА - проводится с использованием закона Пуассона, кото­
рый имеет вид
где N - число пробоев оболочек КА метеорными и техногенными час­
тицами за весь срок активного существования.
Этот показатель сходен с надежностью КА, что подтверждается случа­
ем из практики эксплуатации КА - наблюдения, когда из ста запущенных КА с
Рнп =0,98 вышло из строя 3 (из-за пробоя трубок на НХР).
1.1. Модель метеорного окружения
Модель метеорного окружения использует следующие положения:
1.1.1. Метеорное вещество состоит из метеорных частиц, которые можно
разделить на две большие группы:
- спорадические метеорные частицы, т.е. такие частицы, направление и
скорость подхода которых к Земле не предсказанным, но лежат в определенных
пределах;
- метеорные частицы, принадлежащие потокам (потоковые частицы),
для которых известны и радиант и скорость подлета к Земле . Этих частиц зна­
чительно меньше общего потока метеорных частиц. Поэтому в модели метеор­
ного окружения принято, что на КА действуют только спорадические метеор­
ные частицы, а воздействие потоков учитывается изменением соответствую­
щих коэффициентов в модели окружения.
1.1.2. Метеорные частицы компактны и имеют плотность р = 2,5 г/см .
Исследования некоторых ученых указывают, что в метеорном веществе есть
частицы, у которых ро= 0 ,0 5 г/см 3 и 7,8 г/см 3 , но такие частицы встречаются
крайне редко.
0
5
1.1.3. Скорость подхода метеорной частицы к точке встречи с КА, в со­
ответствии с рекомендацией COSPAR V = 20 км/с. Это наиболее вероятная
скорость подлета .Хотя эта скорость может лежать в пределах 3 < V 0< 9 0 km/ c .
1.1.3. Интегральный закон распределения метеорных частиц по массам с
учетом наличия потоковых метеорных частиц имеет вид
0
N =АМ*m0~s , или log N = log А м - S* log m0„
(пробоев/(м2*сутки)),
где т0 - расчетная масса, г;
для log т0 > -5,75: log А м= -10,1, S = 1,2:
для log т0 <= -5,75: logA M= -5,5, S = 0,4:
Интегральный закон формулируется следующим образом:
N - это число частиц, масса которых больше ш о, проходящих через еди­
ницу площади за единицу времени.
На рис.1 показан интегральный закон распределения метеорных частиц
по массам в логарифмических координатах
1.1.4. Число частиц, способных пробить оболочку КА вычисляется по
приближенной формуле
^ЭЛ
N - .
* X kj* 8 j 3"s *T*Fj (пробоин),
м
где А м - коэффициент из закона распределения метеорных частиц по
массам;
j - номер элемента поверхности ;
пш - число элементов, на которые разбита поверхность КА;
kj - поправочный коэффициент (см. далее);
- толщина оболочки, изготовленной из Д16АТ, см;
8
S - показатель степени из интегрального закона распределения ме­
теорных частиц по массам;
Т - активный срок существования КА, сутки ;
тг - площадь элемента поверхности, м .
2
6
Рис.I. Интегральный закон распределения метеорных и техногенных
частиц по массам
7
1.2. Модель техногенного окружения
Техногенные частицы (man-made) появились вместе с началом освоения
космоса человеком. Это и продукты сгорания ракетных двигателей, и льдинки
топлива при включении-выключении МикроЖРД, и фрагменты КА при санк­
ционированном или несанкционированном взрыве КА и пр. Большая часть тех­
ногенных частиц движутся по орбитам, близким к круговым, Это объясняется
тем, что если при взрыве КА его фрагменты приобретают дополнительную ско­
рость, то только те из них остаются на круговой орбите , которые при вектор­
ном сложении со скоростью КА имеют круговую скорость, или близкую к ней,
а остальные входят в плотные слои атмосферы и сгорают. Все орбиты техно­
генных частиц находятся в почти сферических оболочках. Эти оболочки рас­
положены в виде слоев по высоте.
Расчетная модель техногенного окружения , опирающаяся на ГОСТ Р
В 25645.164-97, имеет следующие предположения:
1.2.1.
Техногенные частицы, наиболее опасные для КА это - фрагменты
разрушенных К А :
1.2.2 Плотность техногенных частиц р = 2,7 г/см .
1.2.3. Скорость подхода техногенной частицы к точке встречи с КА рав­
на V = км/с.
1.2.4. Интегральный закон распределения техногенных частиц по мас­
сам имеет следующие коэффициенты:
0
0
8
3
N =А т*m0's , или log TV= log A T - S * log m0„
(пробоев/(м *сутки)),
2
где m 0 - расчетная масса, г;
для log m 0 > -5,75
log А т= -11,1, S = 1,2:
для log m 0 > - 5,75
log Л х = - 6,37, »S'= 0,4:
На рисЛ интегральный закон концентрации техногенных частиц пока­
зан пунктирной линией.
1.2.5.
Число частиц, способных пробить оболочку КА вычисляется по
приближенной формуле
У1эл
N = A T* I kj* 8 f 3*s *Fj*T*ki*ph*kl
j=J
(пробоев),
где А т - коэффициент из закона распределения техногенныхх частиц по
массам;
8
ki - коэффициент учета наклонения орбиты КА;
ki = 1 + 7,5 sin i;
i - наклонение орбиты КА;
Ph - коэффициент нормированной концентрации техногенных час­
тиц
i=2
Ph = Е a i *ехр((Н - НО2/(2*cTi2) ) ,
i=l
где Н - высота орбиты, км;
ai = 0,28;
а2 = 0 ,1 7 5 ;
Hi = 9 5 0 , км;
Н2= 1 450, км;
cji
км;
cj = 8 0 км.
kt - коэффициент, учитывающий год ( t ),когда будет эксплуатиро­
ваться КА;
= 1 2 0
2
kt = 1,2 + 0,4 *( t - 2000 ).
Все остальные коэффициенты приняты такими же, как и для метеорного
окружения.
1.2.6.
Все закономерности описывающие соударение техногенной час­
тицы с преградой приняты такими же, как и для метеорных частиц.
9
2. СОУДАРЕНИЕ ВСМЧ С ПРЕГРАДАМИ
Для того, чтобы оценить опасность полета КА необходимо знать не
только характеристики аппарата, но и то, что произойдет , если ВСМЧ столк­
нутся с преградами, которыми могут быть оболочки отсеков этого аппарата.
Метеорные и техногенные частицы по отношению к КА являются высокоско­
ростными механическими частицами ,т.к. соударение КА с ними происходит
со скоростью, большей скорости звука как в частице, так и в преграде.
Результат соударения с одиночной преградой зависит от характеристик
частицы и преграды, а в многослойной конструкции - еще и от конструкции
оболочки отсека и от выбранной последовательности материалов слоев.
2.1. Соударение с одиночной плотной преградой
Соударение ВСМЧ с одиночной плотной преградой, имеющей достаточ­
ную толщину, может привести к появлению на поверхности преграды кратера,
а при большей скорости и при меньшей толщине преграды - к пробою прегра­
ды. При пробое тонкой преграды частица разрушается и за преграду летят не
только осколки частицы ( наибольший по размеру осколок назван “лидирую­
щим элементом” ), но и обломки преграды. Параметры частицы приняты в мо­
дели соударения в соответствии с положениями моделей метеорного и техно­
генного окружений. Дополнительно необходимо еще учитывать угол соударе­
ния, т.е. отклонение вектора скорости соударения от нормали к поверхности
преграды. Параметры одиночной плотной преграды являются параметрами,
описывающими свойствами имеющегося материала.
Результаты соударения зависят от параметров частицы и преграды.
Величина относительной предельно-пробиваемой толщины преграды
вычисляется по формуле
( p. V0 T 3*
8„
бпп отн
— 1 ,1 8
do
I
|
I
|
2/3
COS
1|/,
I VpMС)вм J
где - 5пп предельно- пробиваемая толщина преграды;
- 5пп отн - относительная предельно-пробиваемая толщина;
- d - диаметр частицы;
- р - плотность частицы, г/см3;
- V - скорость соударения, км/с;
- рм - плотность материала преграды, г/см3;
- а вм- временное сопротивление разрыву материала преграды, ГПа;
- \|/ - угол соударения . Отсчет от нормали к преграде.
0
0
0
10
Относительный диаметр лидирующего элемента вычисляют по формуле
dnitzj.
f 72 Sm.oth Y/3
r\ = I -------------- обобщенный параметр;
E Snn OTH J
где
1
относительная толщина преграды;
d
M - толщина преграды;
0
8
Рм
Рота
= ---------- - отношение плотности материала преграды
р
к плотности материала частицы;
0
Е - модуль упругости материала преграды ( модуль упругости
Д16АТ равен 72 ГПа);
Скорость лидирующего элемента за преградой вычисляется по формуле
0,9
VЛИД V
Vl + 1,5 РоттА
0
2.2. Соударение с пористой преградой
Соударение с пористой преградой сопровождается появлением в прегра­
де канала , глухого или сквозного. Принято, что частица или лидирующий эле­
мент от пробитой предыдущей преграды не теряет своего направления, но тор­
мозится и происходит ее абляция.
Движение частицы в пористой среде может быть описано системой
дифференциальных уравнений , сходных с уравнениями движения шара в жид­
кости или газе:
dV
V
m — =-CxpS — ,
dt
2
2
dx
— =v,
dt
11
где
m - масса частицы, г. Для сферической частицы
п d3
d - диаметр частицы, см;
Ро плотность материала частицы, г/см3;
V - скорость частицы, м/с;
t - текущее время, с;
Сх - коэффициент лобового сопротивления;
р - плотность среды, г/см3;
S - мидель частицы, м2;
пd
S=
10 '4,
4
х - текущая координата, м.
Это уравнение имеет решение
2
V = V ехр( - 0 .7 5 Сх ротн L / d0);
0
где
L - глубина канала в преграде.
V - скорость входа частицы в пористую преграду
Если скорость V < Vmm , то это соответствует останову частицы в пре­
граде (непробой).
Если происходит пробой (L > Lnperp ), то скорость выхода из преграды
равна
0
VBbix
Vo ехр(
0.75 Сх р0ш Lnperp/ d0),
бдрегр
где
Lnperp —
5
cos у/
бпрегр - толщина преграды;
у/ - угол соударения.
В расчетах принято, что V mm = 50 м/с.
Эксперименты показывают, что в зависимости от скорости соударения
имеется два участка:
- первый участок когда скорость соударения V < VIcpm . На этом участке
чем больше скорость, тем больше глубина канала L.. В этом случае величина
С х = 1,2;
- второй участок (V > VKpiIT ) - чем больше скорость, тем меньше глу­
бина канала L. На втором участке С х = 1,2 + 0,12 V , V 0 [ km/ c],
0
0
0
12
2.3. Соударение с многослойной преградой
Большинство КА имеют отсеки с многослойными оболочками , при этом
слои могут быть и плотными и пористыми. Задачей анализа таких преград яв­
ляется оценка преграды на пробой, т.е. определить пробьет ли частица весь этот
пакет или будет задержана на одном из слоев.
Алгоритм оценки пробоя многослойной преграды сравнительно прост:
- вначале оценивается на пробой первый слой. Если он пробивается , то
за ним летит или сама частиц или лидирующий элемент
- затем проверяется второй слой и повторяется оценка так же, как и для
первого слоя. Таким образом проверяются все остальные слои и если последний
слой пробивается, то считается, весь пакет пробит.
На рис.9 приведена блок- схема анализа соударения частицы с много­
слойной преградой.
Описание блок-схемы:
п.1 - Ввод исходных и начальных данных:
N - число слоев преграды;
р - признак пористости;
Si - толщина слоя;
Pi - плотность материала слоя;
Ei - м одул ь уп р у го ст и
м атериала слоя;
Oi - п рочн ость м атериала слоя - в р ем ен н ое сопр. разры ву;
V - начальная скорость частицы;
d - начальный диаметр частицы
\|/ - угол соударения
п
- номеру слоя присвоить единицу;
п.З - оценка пористости слоя. Если слой пористый (р=0), то идти к п.9
п.4. - вычисляется предельно-пробиваемая толщина листа из плотного
материала;
п.5. - анализ значения предельно-пробиваемой толщины. Если она
больше толщины слоя, то идти к п.7;
п. . -пакет “Н Е П Р О Б И Т ”. Идти к п .14;
п.7.
- вычисляется скорость и диаметр лидирующего элемента. Они
становятся начальными для последующих слоев;
п. . - номер слоя увеличивается на единицу. Идти к п.. 12;
п.9. - вычисляется глубина канала в пористой преграде L;
п. 10. -анализ глубины канала. Если частица не пробивает пористый
слой, то идти к п. ;
0
0
.2
6
8
6
13
Начало
1
Ввод ИД
2
i:=l
4
3
Пористость
Snni
5
9
L
10
6
Snni
НЕПРОБОЙ
7
Vo := VBbIX
do d r)
L< Lnperp
14
STOP
11
Vo := VBbIX
8
i:=i+l
12
i< N
i
13
ПРОБОЙ
15
STOP
Рис. 2. Блок- схема алгоритма оценки соударения ВСМ Ч
с могослойной преградой
14
п.11. - Начальному значению скорости присвоить значение скорости
выхода из пористого слоя. Идти к п. ;
п. 12. - Анализ номера слоя . Если слой не последний по счету, то идти к
8
п .З ;
п. 13. - Все слои преграды “П Р О Б И Т Ы
п.14. - STOP. Выход из счета при непробое пакета;
п.15. - STOP. Выход из счета при пробое пакета.
2.4. Определение дюралевого эквивалента преграды
В разделе 1.1 приведены зависимости для определения числа пробоев
элементов поверхности КА. В этих зависимостях имеется такой параметр, как
толщина - толщина пластины из Д16АТ при соударении по нормали к по­
верхности с известной скоростью соударения. Если материал преграды другой
или преграда многослойная и происходит косое соударение, то приходится
пользоваться для помещения в указанные зависимости т.н. дюралевым эквива­
лентом. Под дюралевым эквивалентом понимается такая толщина пластины из
Д16АТ, которая при соударении по нормали эквивалента стойкости на пробой
заданной конструкции элемента поверхности КА при заданном угле соударе­
ния.
Алгоритм определения дюралевого эквивалента заключается в следую­
щем:
- отыскивается минимальная масса метеорной частицы ш0, способная
пробить заданную конструкцию при заданном угле и скорости соударения.
Этот процесс равносилен отысканию корня уравнения
8
| + ,
| 0,
| - ,
если ш > ш0,
если ш = ш0,
если ш < ш 0.
1
F(m) =
1
- зная значение ш0, находится значение d
Г m у
do
I
I ,
6
0
/3
Ttpo
I
0
J
- затем определяется дюралевый эквивалент
( p. v„ V'38
| cos v|/
I
V pal C>al )
Pai ,cjai - плотность и временное сопротивление разрыву материала
8
где
Д16АТ.
экв
1
Д d
8
0
1
15
3. ГЕОМЕТРИЯ ОТСЕКОВ КА
Современные КА, как правило, состоят из соединенных между собой
отсеков. Днища отсеков при этом защищены от воздействия метеорных и тех­
ногенных частиц, Зато их боковые поверхности подвергаются этому воздей­
ствию. Отсеки, солнечные батареи и приборы состоят из примитивов:
- плоский четырехугольник (частный вид - треугольник, когда какиелибо две соседние вершины четырехугольника совпадают);
- боковая поверхность тела вращения. Образующими боковой поверхости могут быть прямая линия или дуга окружности;
- параллелепипед.
Каждый из этих примитивов задается характерными точками в связан­
ной системе координат. Как правило ось ОХ направлена по оси симметрии ап­
парата, а оси 0Y и 0Z образуют правую связку. Желательно, чтобы связанная
система координат совпадала со скоростной. Тогда ось ОХ совпадает с на­
правлением полета, ось 0Y - в направлении зенита и ось 0Z по правому крылу
(самолетная система координат ). В программе расчета имеется возможность
выставлять КА в нужное рабочее положение, поворачивая связанные оси от­
носительно скоростных.
Принято, что при описании геометрии все размеры задаются в метрах.
3.1. Геометрия примитивов
3.1.1. Геометрия четырехугольника
Четырехугольник задается четырьмя вершинами в связанной системе
координат. При этом если смотреть на плоскость, опасную повреждению, то
вершины должны быть расположены против часовой стрелки. В программе
есть проверка, лежат ли все вершины в одной плоскости. На рис.З показана
схема четырехугольника и треугольника.
A 4 (x 4,y4,Z4 )
A 4 (x 4,y4,Z4 ) , А (х3,уз ,Z 3 )
Аз (х3,уз ,z з )
3
А (х , у , z2)
2
2
2
Ai ( Xi ,уi , Z i)
Ai ( Xi ,yi , Z i) A (x , y , z2)
Четырехугольник
Треугольник
Рис.З. Схемы четырехугольника и треугольника
2
16
2
2
3.1.2. Геометрия боковой поверхности тела вращения
Боковая поверхность тела вращения или ее часть получается вращени­
ем образующей вокруг какой-либо оси. Принято, что осью вращения является
ось симметрии отсека. Образующей может быть прямая линия или дуга ок­
ружности.
Боковая поверхность тела вращения задается следующими параметра­
ми (см. рис.4):
- центр нижнего основания в связанных координатах аппарата А , в
метрах. Эта точка является центром координат отсека;
- любая точка Ai ,лежащая на оси вращения, также в связанной системе
координат. Точки А и Ai образуют ось ОХ отсека;
- любая точка Аг ,лежащая в плоскости нижнего основания, также в
связанной системе координат. Точки А и Аг образуют ось ОY отсека;
- высота отсека Н, в метрах;
- радиус верхнего основания Ri , в метрах;
- радиус нижнего основания R , в метрах;
- угол вращения образующей, начиная от оси 0Y . Для полной боковой
поверхности угол вращения равен 360°;
- радиус образующей R . Если образующая прямая , то условно прини­
мают, что R = .
0
0
0
2
3
3
0
Рис.4. Параметры для построения боковой поверхности
тела вращения
Набор значений параметров определяет форму оболочки (см.рис.5):
- конус ;
- усеченный конус
- цилиндр;
- диск;
- кольцо;
- сфера;
- оживал;
- тор.
17
Рис. 5. Формы оболочек тел вращения
При вводе параметров в программе расчета имеются проверки:
- лежит ли точка А в плоскости нижнего основания?
- есть ли соответствие между радиусами Ri , R и R ?
2
2
3
3.1.3. Геометрия параллелепипеда
При вводе данных для построения параллелепипеда задаются следую­
щие параметры:
- базовая точка А в связанной системе координат;
- три точки Ах , Ау и Az ,которые вместе с точкой А образуют пра­
вую ортогональную систему координат OX, 0Y и 0Z;
- длины ребер Lx , Ly и Lz вдоль каждой из осей координат.
В программе расчета имеется проверка ортогональности заданных ко­
ординатных осей .
0
0
18
3.2. Преобразование координат при повороте КА
Часто бывает, что рабочее положение КА на орбите такое, что связан­
ные оси КА не совпадают со скоростными осями. Тогда исходные данные
геометрии КА вводят так, что связанные оси совпадают со скоростными, а
затем КА (вместе со связанными осями) поворачивают в заданное рабочее по­
ложение. Такой поворот осуществляется следующим образом:
- задают в скоростных осях точку А о, которая будет центром поворота;
- задают в скоростных осях какую-либо точку Ах ,которая лежит на
связанной оси Ох КА. Вычисляется вектор Ма = Ах - Ао ;
- задают в скоростных осях какую-либо точку Ау , которая лежит на
связанной оси Оу КА. Вычисляется вектор Мь = Ау - Ао ;
- проверяют ортогональность этих векторов путем вычисления их ска­
лярного произведения. При правильном задании положения КА скалярное
произведение ( Ма ,МЬ ) = 0;
- вычисляют положение вектора Мс , совпадающего с осью 0z, путем
вычисления векторного произведения Мс = ( Ма * Мь );
- вычисляют единичные векторы
Ма
Мь
Мс
Мх = ------ ;
Му = -------- ;
Mz = ------- ;
I Ма |
I Мь |
| Мс |
составляющие этих векторов равны:
f хх
\ Ху
\ xz
Мх = \ ух ;
Му = \ уу ;
Mz = \ y z
Lzx
L Zy
t zz
- составляется матрица преобразования
f Xx Xy xz
M np “I y x Уу y z
—
I Zx
Zy
Zz
- используя матрицу преобразования M np и имея координаты точки в
связанной системе координат
( Х Связ
А СВЯЗ
*1 У СВЯЗЗ
5
^ А вяз
можно, вычисляя произведение матрицы М п на вектор
ты этой точки в скоростной системе координат, т.е.
лА скор
= 1М
fI пр *^ А
сеяз
А СВЯз ,
найти координа­
•
19
- в программе предусмотрено сохранять на МД исходную информацию
о форме и конструукции оболочек КА и, при необходимости, делать поворот
осей, получая рабочую информацию;
- если необходимо вводить какие-либо изменения в рабочую информа­
цию, то надо вначале возвратить исходную информацию, а звтем ввести из­
менения и снова провести поворот осей, создавая новую рабочую информа­
цию.
20
4. КОНСТРУКЦИЯ ОБОЛОЧЕК ОТСЕКОВ КА
В модели конструкции оболочек отсеков предполагается:
- оболочки имеют слоистую конструкцию;
- большинство слоев назначают при проектировании, исходя из нор­
мального функционирования КА;
- оболочка может иметь дополнительные слои для защиты от воздей­
ствия на КА космоса;
- каждый слой может быть плотным (металл, стекло и т.п.) или пористым( пенопласт, текстолит и т.п.);
- все плотные слои разнесены на достаточное расстояние друг от друга
и пробой одного слоя не влияет на другие слои;
- материал слоя может быть любым из указанных в таблице применяе­
мых материалов;
- предлагаемый список применяемых материалов указан в таблице ;
- в программе расчета предусмотрена допустимость изменения списка
материалов по желанию пользователя.
2
Таблица 2
Список применяемых материалов
NN
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1 0
1 1
1 2
13
14
15
16
17
18
Марка
Признак
Плотность
материала пористости
г/см
Д16АТ
АД1
АМГ
МА
ЗОХГСА
Х18Н10Т
СВИНЕЦ
ОТ4-1
СТЕКЛО
СО
РЕЗИНА
УЕЛЕПЛАСТ
ЭВТИ
ПОРОЛОН
ПЕНОПЛАСТ
АСБОТЕКСТ.
СТЕКЛ ОТЕКСТ.0
ПТК
1
1
6
1
8
1
1
1
1
1
2,78
2,70
2,64
1,76
7,85
7,90
11,34
4,55
Модуль
упругости
ГПа
72,00
71,00
70,00
43,00
2 0 0 , 0 0
190,00
16,00
1 0 0 , 0 0
Прочность
(врем. сопр.
разрыву) ,ГПа
0,460
0 , 1 2 0
0,320
0,300
1 , 1 0 0
0,900
0 , 0 2 0
0,600
0,300
0,080
1 , 1 0
50,00
3,00
0
1 , 2 0
0 , 0 0
0 , 0 0 0
0
1,55
0 , 0 0
0 , 0 0 0
1
0
0
0
0
0
2 , 0 0
1
0 , 0 2
0,04
0,05
1,90
1,85
1,40
0 , 0 0
0 , 0 0
0 , 0 0
0 , 0 0 0
0 , 0 0 0
0 , 0 0 0
0 , 0 0
0 , 0 0 0
0 , 0 0
0 , 0 0 0
0 , 0 0
0 , 0 0 0
21
4.1. Защита оболочек КА от опасного воздействия на них ВСМЧ
Оболочки отсеков КА, подвергающиеся водействию на них метеорных
и техногенных частиц могут быть пробиты. Вероятность непробоя оболочек
КА зависит, в основном, от параметров оболочек. По реультатам расчета мо­
гут быть выявлены наиболее уязвимые места. Для увеличения надежности и
безопасности полета в этих местах (или на всей оболочке) устраивают раз­
личные способы защиты. Примеры основных способов защиты даны в таблице
3.
Таблица 3
Способы защиты оболочек от опасного воздействия на них ВСМЧ
NN
п/п
Исходная
конструкция
Предлагаемая
конструкция
Характеристика
Защиты
- оболочка отсека без
подкреплений. Защита
- увеличение толщины
оболочки.
- оболочка отсека с те­
пло- и звукоизоля
цией. Защита - уста­
новка противометеорного экрана.
- каналы радиатора.
Защита - увеличение
толщины верхней
стенки канала.
- каналы радиатора.
Защита - приклеивание
плотно сшитой пла­
стины из 30...50 слоев
экранно-вакуумной те­
плоизоляции (ЭВТИ).
22
Таблица 3 ( продолжение)
Способы защиты оболочек от опасного воздействия на них ВСМЧ
NN
п/п
Исходная
конструкция
Предлагаемая
конструкция
Характеристика
защиты
- каналы радиатора.
Защита - изменение
конструкции с поме­
щением трубок под
противометеорный
слой
радиатор с тепловыми
трубами. Защита - раз­
решен пробой двух
труб, которые не рас­
положены рядом.
Во всех защитных конструкциях увеличение вероятности непробоя
оболочки достигается за счет увеличения предельно-пробиваемой толщины
по цепочке - увеличение m ведет к уменьшению расчетного числа пробоев
N и, как следствие этого - увеличение вероятности непробоя оболочки метеор­
ными и техногенными частицами
Рнп = ехр( -N).
Для I и Ш способов защиты
Г пР У
8пп =
I--------- 1,
UnP, )
где
- толщина оболочки в исходной конструкции;
Pi - вероятность непробоя исходной конструкции;
Р - потребная вероятность непробоя предлагаемой конструкции.
Для ПДУ и V способов защиты потребная расчетная толщина S может быть
получена из решения неравенства
8
1
2
’2 8
8 1
8 1
2
2
(
8Э2 (
82 )
-
8 э2лЮт р ) ^
0 ,
где
( ) - дюралевый эквивалент конструкции оболочки при вариации S
в защите;
( 1пР2 У 28
8 э2
8 2
8 э 2,потр
2
8Э1 |
|
,
UnP, )
- дюралевый эквивалент оболочки ( из расчета К А ).
Расчеты показали, что наиболее эффективным способом защиты явля­
ется применение тепловых труб. Для этой конструкции Рни примерно равна
единице и может быть исключена из определения вероятности непробоя
всех оболочек КА
23
8 Э1
5. РА ЗБИ ЕН И Е О БО Л О Ч Е К КА НА ЭЛЕМ ЕН ТЫ
Разбивать поверхности оболочек КА на бесконечно-малые величины и
использовать их в расчетах, применяя интегральное исчисление весьма гро­
моздко и затруднительно, поэтому для проведения расчетов с некоторым при­
ближением все поверхности оболочек разбивают на элементы и используют
их, применяя суммирование, т.е. проводят вычисления для каждого элемента
поверхности, а затем, суммируя, получают требуемое решение. При решении
элементы должны определены в скоростной системе координат. Если связан­
ные оси совпадают со скоростными, то это условие выполняется само собой.
5.1. Разбиение плоского четырехугольника
Разбиение четырехугольника проводится при заданных параметрах
разбиения, а именно:
- Ni > - дробление сторон AiA и А А ;
- Nj > 1 - дробление сторон А А и А А ;
На рис показана схема такого разбиения.
Каждый элемент поверхности четырехугольника (треугольника) имеет
четыре вершины Bij,Bi+i j,Bi+ij+i,Bij+i.
У треугольника две соседние вершины совпадают.
Координаты вершин вычисляют по следующему алгоритму
( 1 < i < (Ni + 1), l < j < ( N j + l ) ) :
k i= (i - 1 )/N i);
Q = A \ *(1 - ki) +A2*ki;
1
2
2
3
4
1
3
4
.6
D i = A 3 *ki + A 4 * ( l - k i ) ;
nj = ( j - l ) / N j;
By = Q *( 1 - n j ) + Din *nj
Заметим, что все вершины и вычисляемые точки лежат в связанной
системе координат.
•
Рис. 6. Схема разбиения четырехугольника
24
Проверка того, что все вершины четырехугольника лежат в одной
плоскости осуществляется с использованием понятия “ векторное произве­
дение” (треугольник не проверяется):
- на первых двух вершинах строится вектор
С —А г - A i ;
- строится вектор на двух следующих вершинах
D —А з - А г ;
- строится еще один вектор
F —А - А ;
- вычисляется вектор N, как векторное произведение векторов С и D,
N = ( C*D );
- проверяется условие: если скалярное произведение векторов F и N
равно нулю, т.е. ( F,N) = 0, то четвертая точка и все остальные точки лежат в
одной плоскости .
4
3
5.2. Разбиение боковой поверхности тела вращения
Разбиение боковой поверхности тела вращения превращает поверх­
ность с кривизной в набор плоских с четырьмя вершинами элементов поверх­
ности. Разбиение проводится как на глобусе. Сначала определяется положение
меридиана, а затем широтное положение точки. Размеры и число элементов
поверхности определяются параметрами тела вращения и двумя видами дроб­
ления - Ni - дробление вдоль широты (Ni - число меридианов ) и Nj - дроб­
ление вдоль меридиана ( ( Nj + ) - число широтных колец.
1
5.2.1. Поверхность с прямолинейной образующей
Положение меридиана производится вычислением двух точек на верх­
нем и нижнем основаниях
ki = a /N i ,
I Ri sin pi
I R sin pi,
где a - полный угол вращения образующей;
Pi - долгота меридиана,
Pi= ( i - 1 ) k i ;
2
25
Широта точки определяется через значения Nj и j, а положение вер­
шины элемента поверхности - через точки Ci и Di .
Lj = ( j - 1)/ Nj ;
By = A 0 +
Di *(1 - L j ) + Q L j .
На рис.7. дана схема разбиения боковой поверхности тела вращения с
прямолинейной образующей.
Рис. 7. Схема разбиения боковой поверхности тела вращения
с прямолинейной образующей
Контроль положения точки А2 в плоскости нижнего основания осуще­
ствляется проверкой скалярного произведения двух векторов
С = К \ - А0 и D =А2 - А*,. Е с л и (C,D)= О, то точка А2 лежит в плос­
кости нижнего основания.
5.2.2.- Разбиение боковой поверхности с криволинейной образующей
Положение меридиана производится вычислением его долготы Pi
P i= а* ( i - 1 ) / N i ,
где а - полный угол вращения образующей;
Широта точки определяется через значения Nj и j и положением цен­
тра радиуса образующей R3.
Это положение в системе координат отсека (см. рис.8) вычисляются по
формулам:
xc = H/2 + (Ri - R2 )*L2 ;
ус =(Ri - R2 ) / 2 - H*L2;
R32
где L2 =
-0,25;
V
26
Li2
L j 2 = H 2 + (R j - R 2 )2 .
Положение отсека в связанной системе координат определяется точка­
ми:
А0 = \ Уо ;
Z0
Гх2
1 Xi
Х0
Ai =
\1 у \ ;
1 Zi
а 2
=
i
у2
I z2
Рис.8. Схема вычисления положения центра радиуса образующей
Координаты точек - вершин элемента боковой поверхности Ву в свя­
занной системе координат (см.рис.9) вычисляются по формулам:
Г х т + Х0
By = \ RT* cos р! + у0
I RT sin Р^ + z 0,
где х т = xc + R3 * sin (vj/T - vj/3); Щт = (j - l)*\|/i;
V|/i = V|/2 / Nj ; V|/2 = 2* arcsin ( л/ ф / R3); v|/3 = arcsin(xc / R3).
Рис. 9. Схема разбиения боковой поверхности с криволинейной
образующей
27
6. В ЕРО ЯТН О С ТЬ Н Е П РО БО Я О БО Л О Ч Е К КА
В соответствии с принятым законом Пуассона вероятность непробоя
элемента поверхности отсека КА вычисляется по формуле
Pj,™ = ехр( - N , );
где
Nj - расчетное число пробоин на элементе поверхности за активный срок
существования КА ( см. раздел 1).
Еще раз отметим, что Рнп идентична показателю надежности К. Это осо­
бенно заметно при
= 0,99.
Вероятность непробоя какого либо i-ro отсека КА вычисляется по форму­
лам:
j
Р15нп =
Икон
П PJHn
;
или
Р15нп = exp ( - N i );
j Анач
где Ni = X Nj - число пробоин на i-ом отсеке КА;
пНач , пкон - начальный и конечный номера элементов поверхности
этого отсека;
Вероятность непробоя хотя бы одного из отсеков КА ( идентично показа­
телю надежности всего КА) вычисляется по формулам:
Аотс
Р
А к а ,н п
= хI -1
I Р
1 1,н п
А эл
5
Р
1 к а ,н п
ИЛИ
jru ijri
i =l
= хI -1
I
Р
1 j ,H n 5
j= l
ИЛИ
Рка.нп
® Х р( -
N Ka
),
где потс - число отсеков в КА;
пэл - число элементов поверхностей отсеков КА;
^эл
N Ka = S N j -число пробоин на поверхностях всех отсеков КА.
J=1
Условно принято, что если PijHn < 0,99, то этот отсек повреждается за
время активного существования хотя бы одной метеорной или техногенной час­
тицами.
Число пробоин на элементе поверхности отсека КА вычисляется по фор­
муле модели метеорно -техногенного окружения (см. Раздел 1.1 )
Nj= А*Т к* d / 3*s *Fj (пробоин)
28
Так как полет КА происходит не в “чистом космосе” и оболочки отсеков не
всегда изготовлены из Д16АТ, то при вычислении числа соударений приходится
вводить ряд допущений и предположений, учитывающих специфику работы КА.
В формуле для определения числа пробоев имеется три параметра ( kj Sj
и Fj ), относящихся к элементу поверхности отсека КА, которые требуют от­
дельного рассмотрения.
6.1. Определение поправочного коэффициента Kj
Поправочный коэффициент к, имеет несколько составляющих ( индекс j
опущен):
к = a f кл к3 кэкр ,
где a f - коэффициент сохранения площади ( задается при проектирова­
нии);
О < a f < 1;
af = 0 , если воздействие частиц на поверхность отсека
безразлично и/или безопасно, например, если отсек представляет собой панель
солнечных батареи;
a f = 1, если из-за пробоя КА может выйти из строя;
af < 1, если только о некоторой части поверхности отсека
следует беспокоиться по поводу появления пробоя. Например, каналы на навес­
ном холодном радиаторе имеют малую толщину стенки ( 0,8 мм ), но занимают
только 15% площади НХР. Тогда a f = 0,15.
кл - коэффициент, учитывающий подлет частицы к элементу поверхности.
Если скалярное произведение векторов N и V положительно, то частица попа­
дает на тыльную сторону элемента поверхности.
Т.е., если (N , V ) > 0 , тогда кл = 0 , иначе кл = 1.
к3 - коэффициент, учитывающий то, что при своем движении частица
прежде чем попасть в элемент поверхности может встретить Землю. Так назы­
ваемое “экранирование элемента поверхности Землей”. На рис. 10 показано вза­
имное расположение элемента поверхности отсека КА и Земли.
1
i|/ = arctg----------------------V 2Нотн + Н ота2
н
Нота = ------------- - относительная высота полета ;
R3
Из этой схемы видно, что если ср > \|/, то к3 = 1 , иначе к3 = 0.
29
TV- нормаль к элементу поверхности ;
R3 = 6371 км - радиус Земли;
Vi - вектор скорости частицы, не попадающей на лицевую сторону;
V2 - вектор скорости частицы, экранируемый Землей;
Уз - вектор скорости частицы, попадающей на лицевую сторону.
Рис. 10. Схема подхода частицы к элементу поверхности
кэкр - коэффициент учитывающий то, что каждый элемент поверхности
может быть заэкранирован другими элементами. На каждом j -ом элементе по­
верхности отсеков могут появиться проекции одного или нескольких элементов
поверхности других отсеков, т.е. другие элементы поверхности загораживают
подлет частицы к этому элементу, появляются “тени “ на расчетном элементе по­
верхности. Если сумма площадей “теней” становится равной или больше площа­
ди расчетного элемента поверхности, то считается, что j - ый элемент полностью
заэкранирован и на него частица попасть не может.
Коэффициент экранирования вычисляется по формуле
2Fi
К эк р
где
поверхности;
I
5
Fj
Z Fi - сумма площадей проекций i-ых элементов на j - ый элемент
Fj - площадь расчетного элемента поверхности.
Если расчетный элемент поверхности полностью заэкранирован, то коэф­
фициент экранирования кэкр = 0.
Точные вычисления размера заэкранированной части, исходя из геометрии
сравниваемых элементов поверхности, достаточно сложны, поэтому предлагается
упрощенный метод с использованием случайных чисел.
30
На рис. 11 показана схема экранирования элемента I элементом II. Эле­
мент II лежит выше элемента I, на котором лежит “тень” от элемента II. Суть
метода заключается в том , что на элементе I случайным образом располагают
TVCi точек, оценивают положение каждой точки и если к какой-либо точке подход
загораживается элементом II, то соответствующий счетчик увеличивается на 1.
Ny
Vo
'п
F3
N e
Fi - площадь экранируемого элемента;
Fn - площадь экранирующего элемента;
F, - заэкранированная площадь;
NB- точка вне “тени”;
Ny - точка внутри “тени”.
Рис. 11. Схема экранирования одного элемента другим
Тогда заэкранированная площадь равна
No
F3 = F: —
;
N m
где
- счетчик точек внутри “тени”. N 0 = ^ N y ;
N CJi - полное число пробных точек на элементе I.
No
6.2. Определение расчетной толщины S
Расчетной толщиной 8 является толщина однослойной оболочки из мате­
риала Д16АТ. Если конструкция оболочки другая, то вычисляется дюралевый эк­
вивалент по методике раздела 2.4.
6.3. Определение расчетной площади элемента поверхности Fj
Величина расчетной площади элемента поверхности отсека зависит от угла
подлета частицы к лицевой стороне. Этот угол а вычисляется через скалярное
произведение векторов N и V по формуле
(N ,V )
а = arccos-------------------- ;
I TV I I к
где
I
N - нормаль к элементу поверхности;
V - вектор скорости подлетающей частицы.
31
Тогда расчетная площадь элемента поверхности равна
Fj
= F 0j cos а,
где
F 0j - площадь элемента поверхности, определяемым при вводе гео­
метрии КА и разбиении поверхности на элементы.
6.4. Определение числа пробоев метеорными частицами
Подход метеорных частиц к Земле подчиняется некоторым вероятностным
зависимостям. Но так как КА не стоит на месте, а движется по орбите, повора­
чиваясь к потоку частиц различным “боком”, то в модели воздействия частиц на
элементы поверхности КА принято, что направление подхода частиц к КА в дан­
ный момент времени равновероятно и скорость подхода равна 20 км/с. В этом
случае вектор скорости частицы, попадающий на КА равен
у Л =
г уд
у
г ч
_
у
г ка
?
где Ууд - вектор скорости соударения частицы с элементом поверхности
КА;
Уч - вектор скорости частицы;
Ука - вектор скорости КА;
В расчете равновероятность подлета частицы обеспечивается тем, что каж­
дый элемент поверхности КА условно “накрывается” сферой на которой распола­
гаются равномерно точки, откуда как из радиантов выходят частицы.
Число этих точек задается пользователем и чем больше этих точек, тем
точнее будет расчет. Эти точки задаются в сферической системе координат угла­
ми а и Р по следующим зависимостям:
а
=
2п
С ь
2 с2 - 1
Р = arctg------------------2c2V l / c 2 - l
Ci и с2 - случайные числа с равномерным распределением от 0 до 1;
0 < ci < 1 ;
0 < с2 < 1.
Заметим, что если угол Р вычислять в соответствии с равномерно распре­
деленным случайным числом от -7г/2 до тг/2, то у полюсов в сферической системе
координат точек будет слишком много и равномерность будет нарушена.
32
Зная положение элемента поверхности КА и векторы скорости Vyd, выхо­
дящие из всех точек сферы, можно определить среднее число пробоев по фор­
муле:
1 k=np
щ р =—
Z N jt,
пр/ 2 к=1
где к - номер точки на сфере;
пр - число равномерно распределенных по сфере точек;
Njk - число пробоев, вычисляемых по формуле раздела 1.
6.5. Определение числа пробоин техногенными частицами
Большая часть техногенных частиц движется по орбитам, близким к круго­
вым, и если КА тоже движется по круговой орбите , то подход частиц к КА про­
исходит вблизи плоскости X0Z в скоростной системе координат. Исходя из это­
го принято, что точки откуда частицы подлетают к КА, равномерно распределе­
ны по окружности, лежащей в плоскости X0Z, но скорость частиц равна не 20
км/с , а 8 км/с. Это основное отличие техногенных частиц от метеорных, а сход­
ство заключается в том, что методика определения числа пробоев от техногенных
частиц принята той же, что и для методики расчета числа пробоев от метеорных
частиц (см. раздел 4.4).
6.6. Определение площади экранирования одного элемента другим
В разделе 5.1. сказано,что для вычисления коэффициента экранирования
кэкр необходимо знать, насколько один элемент поверхности отсека “загоражи­
вает” другой. Точные вычисления размера заэкранированной части исходя из
геометрии сравниваемых элементов поверхности достаточно сложны, поэтому
предлагаются упрощенные методы.
6.6.1. Метод с применением случайных чисел
На рис. 12а показана схема экранирования элемента I элементом II. Эле­
мент II лежит выше элемента I, на котором лежит “тень” от элемента II. Суть
метода заключается в том , что на элементе I случайным образом располагают
ЛА точек, оценивают положение каждой точки и если к какой-либо точке подход
загораживается элементом II, то соответствующий счетчик увеличивается на 1.
Тогда заэкранированная площадь равна
No
F3 = F: —
;
ЛА
где N o - счетчик “неудачных” точек;
ЛА - полное число пробных точек на элементе I.
33
A
А
2
Aj
Ai
Di
B2
Fi
D
Di
2
Fn
B2
D
Fn
Q
Fi
Bi
C2
Q
R
Fi Fn F, Ri R iiL а b -
2
Ri
C2
Bi
2
11
а) Применение случайных чисел б) Упрощенный метод
площадь экранируемго элемента;
площадь экранирующего элемента;
заэкранированная площадь;
радиус окружности, эквивалентной площади элемента I;
радиус окружности, эквивалентной площади элемента II;
расстояние между центрами элементов;
малая ось эллипса;
большая ось эллипса.
Рис. 12. Схема экранирования одного элемента другим
6.6.2. Упрощенный метод
На рис .126 показан другой более простой метод отыскания заэкраниро­
ванной площади. Суть метода заключается в том, что строятся круги с радиусами
Ri иRn, площади которых равны площадям соответствующих элементов поверх­
ности. Если ( Ri + Rn ) < L , то считается, что круги пересекаются и появляет­
ся пересечение этих кругов, площадь которого уподабляется эллипсу с осями а
и b . Эта площадь и есть заэкранированная часть элемента F
Ri = V Fi / 7Г;
Rn = V Fn / я ;
a = (R i + Rn - L ) / 2;
b = 2 S / L;
где
S = V
P ( P - R: )(P -Rn )(P - L ) ;
P = (R i + Rn + L ) / 2;
F3 = л a b.
34
7.
КОНТРОЛЬ
Как бы тщательно ни готовилась документация, как бы правильно ни рабо­
тала программа все равно необходимо все подвергать проверке, проводить кон­
троль на всех этапах:
- контроль на этапе ввода информации. Оценивается предлагаемый список
материалов. Если этот список не устраивает пользователя, то имеется возмож­
ность исправить этот список. Проводится визуальный контроль ввода геометрии
отсеков КА, данных по конструкции оболочек отсеков. Программа сама проверяет
соотношения параметров, например, ортогональность осей. Можно проследить
правильность ввода данных, выдавая распечатку на экран монитора или на прин­
тер;
- так как программа имеет дело с геометрическими объектами, то необхо­
димо проводить так называемый графический контроль, когда на экран выдается
изображение объекта в любом ракурсе, причем, объект может быть выдан цели­
ком или по частям;
- контроль на этапе счета. Выдается информация о том, что программа ра­
ботает и работает в заданной последовательности;
- к контролю можно отнести и выдачу иллюстративной информации, на­
пример, изображение на экране монитора объекта, как при графическом контроле
с выделением цветом зон уязвимости, отмечая зоны с наибольшей уязвимостью
воздействием метеорного и техногенного окружений;
- выдаваемые на экран монитора или на принтер результаты расчета так же
можно отнести к контролю за общей работе программы.
7.7. Список применяемых материалов
На диске хранится список с данными по предлагаемым материалам
(см.раздел 2.2). Если этот список не устраивает пользователя, то он может изме­
нить этот список, вводя с клавиатуры такие параметры, как
- марка материала;
- признак пористости. Плотный материал имеет признак, равный единице,
пористый - нулю;
- плотность материала, г/см ;
- для плотного материала - модуль упругости, ЕПа;
- прочность плотного материала - временное сопротивление разрыву, ЕПа;
- новый список можно запомнить для дальнейшего использования в файле
на диске, выдать список на экран монитора или выдать на принтер.
Выданный на принтер список материалов может служить в качестве отчет­
ной документации.
35
7.2. Геометрические данные отсеков
Данные по геометрии отсеков контролируются в процессе ввода визуально
а так же самой программой. Тем не менее , все данные могут быть выданы на эк­
ран монитора или на принтер. Данные, выданные на принтер могут служить от­
четной документацией.
Данные на принтер выдаются последовательно
- о пластинах:
- координаты вершин в связанной системе координат;
- программа проверяет, лежат ли все вершины в одной плоскости (о
контроле - см. раздел 3.1);
- параметры разбиения;
- число слоев в конструкции пластины;
- коэффициент сохранности площади.
- о телах вращения:
- координаты трех базовых точек в связанной системе координат ( о
контроле - см. раздел 3.2);
- радиус верхнего основания;
- радиус нижнего основания;
- радиус образующей. Для прямолинейной образующей радиус обра­
зующей принимается равным нулю;
- высота отсека;
- угол вращения образующей;
- параметры разбиения;
- число слоев в конструкции оболочки;
- коэффициент сохранности площади.
- о параллелепипеде:
- координаты трех вершин в связанной системе координат ( о контроле
- см. раздел 2.1.3);
- длины трех ребер;
- число слоев в конструкции оболочки;
- коэффициент сохранности площади.
7.3. Данные по конструкции оболочек
Принято, что все оболочки имеют слоистую конструкцию с числом слоев
не более четырех. Если коэффициент сохранности площади равен нулю, то конст­
рукцию можно задавать любой - она на расчет вероятности непробоя оболочек КА
не влияет. Контроль данных по конструкции проводится визуально на экране мо­
нитора при вводе их с клавиатуры или путем выдачи данных на принтер. В каж­
дой строке выдаваемой таблицы, если коэффициент сохранности площади не ра­
вен нулю, приводятся данные о каждом слое ( марка материала и толщина слоя),
в противном случае выдается информация о том, что отсек является только экра­
ном.
36
7.4. Графический контроль
При графическом контроле задаются отсеки или целиком КА, изображение
которых выдаются на экран монитора под направлением взгляда, определяемым
углами а и р. На рис. 14 приведена схема, на которой показаны скоростные оси
xyzO оси проекции xpypzp0, образованные поворотом на углы а и р . Координа­
ты на плоскости хр 0ур соответствуют координатам экрана на мониторе. Преоб­
разование координат какой-либо точки A ck в скоростной системе координат про­
водится путем умножения этих координат на матрицу преобразования М пр.
УР
У
А
W
Хл
О
р
а
х
Zl
W - вектор взгляда;
Ozi - вспомогательная ось.
Рис. 13. Схема поворота координатных осей
Матрица преобразования имеет вид
I
cos а
0
- sin а
М пр = I - sin а sin р cos Р
- cos а sin р
I
sin а cos Р sin р
cos а cos Р
Координаты точки после преобразования равны
Ар
М пр *А с/(.
В соответствии с заданием последовательно преобразуются координаты
вершин каждого элемента поверхности и изображения выдаются на экран линия­
ми, соединяющими соответствующие точки.
Если задано рисовать только видимые элементы, то те элементы, у кото­
рых скалярное произведение нормали элемента и направление вектора взгляда
больше нуля, рисованию не подлежат.
На экране, кроме того, выдается положение скоростных осей координат.
37
7.5. Контроль на этапе счета
Расчет вероятностей непробоя оболочек КА длится сравнительно долго.
Для того, чтобы видеть, что ЭВМ работает, на экран монитора постоянно выдает­
ся информация:
- Обрабатывается элемент No=
- Отсек N otc =
т.е. сообщение о вычислении вероятности непробоя слоя на соответст­
вующем элементе поверхности отсека.
Предусмотрено, что после обработки очередной десятки элементов ре­
зультаты расчета записываются в специальный файл на диске. Программа для та­
кого хранения результатов счета резервирует дополнительный файл, который за­
канчивается буквой “w”. Такое хранение информации позволяет в любой момент
времени прервать счет и возобновить его с того момента, когда была занесена по­
следняя “десятка “. Это же исключает потерю информации при случайном сбое и
непредусмотренном выключении электроэнергии.
На этом этапе предусмотрено два режима:
- Начало расчета - очищаются все рабочие массивы и расчет начинается
с элемента No =1;
- Продолжение и окончание расчета - считывается последняя, записан­
ная на диск информация и делается переход на продолжение счета, начиная с об­
работки следующего по номеру элемента.
Естественно, отсеки, имеющие коэффициент сохранения площади равный
нулю, обработке не подвергаются.
7 .
6. Иллюстрация уязвимости
Иллюстрация уязвимости заключается в том, что на экран монитора выда­
ется изображение разбитого на элементы поверхности самого КА или его прону­
мерованных отсеков. Во время расчета вероятности непробоя поверхности отсека
от действия метеорных и техногенных частиц для каждого j-ro элемента подсчи­
тываются:
- площадь элемента поверхности Fj ;
- число пробоев оболочки метеорными частицами NMnp06j ;
- число пробоев оболочки техногенными частицами NTnp06j ;
- вероятность непробоя элемента поверхности метеорными частицами РМНИ|
—exp (-N nPo6j X
- вероятность непробоя элемента поверхности техногенными частицами
Р нп) —СХр (-N nPo6j X
- вероятность пробоя элемента поверхности отсека метеорными частицами
рмnPj = 1
I - грмнп,,
- вероятность пробоя элемента поверхности отсека техногенными части­
цами Р nPj
1 - Р НПЬ
38
- максимальное значение среди всех вероятностей пробоя элементов по­
верхности метеорными частицами mM= max (PMnpj );
- максимальное значение среди всех вероятностей пробоя элементов по­
верхности техногенными частицами mT = max (PTnpj );
- покрытие поверхности элемента точками желтого цвета ( для иллюстра­
ции воздействия метеорных частиц). Число точек определяется по формуле пм =
P Mnpj Fj kKM. Точки располагаются на элементе поверхности случайным образом;
- покрытие поверхности элемента точками белого цвета ( для иллюстрации
воздействия техногенных частиц ). Число точек определяется по формуле пт =
P Tnpj Fj kKT . Точки располагаются на элементе поверхности случайным образом;
Таким образом выделяются зоны, наиболее уязвимые метеорными и техно­
генными частицами. Коэффициенты контрастности ккм и ккт , которые можно
изменять, характеризуют “густоту” покрытия точками соответствующего цвета.
7 .7 .
Результаты расчета вероятности непробоя оболочек КА
Еще одним видом контроля являются выдаваемые в виде таблицы на экран
монитора или на принтер результаты расчета. В таблице приводятся для каждого
отсека, не имеющего нулевого коэффициента сохранения площади, вероятность
непробоя оболочки как метеорными, так и техногенными частицами. В заключе­
ние выдаются значения вероятности непробоя всего КА по отдельности метеор­
ными и техногенными частицами и общей вероятности непробоя оболочек всего
КА всеми частицами.
Для большей определенности в заголовке таблицы приводится имя КА и
срок его активного существования.
39
8. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГРАММЫ
Программа МТОПКА позволяет кроме вычисления вероятности непро­
боя КА метеорными и техногенными частицами определять дополнительно:
- количество пробоин на отсеках, имеющих очень малую толщину обо­
лочки;
- характеристики системы наддува отсеков, имеющих пробоины;
- степень эрозии поверхностей, чувствительных к внешним повреждени­
ям.
Проведение этих работ осуществляется на этапе проектных разработок,
но вначале должен быть проведен расчет по определению вероятности непро­
боя КА метеорными и техногенными частицами
8.1. Определение числа пробитых отверстий в тонкой оболочке
Иногда для выполнения некоторых функций на КА устанавливают
(
или разворачивают в космосе ) отсеки, изготовленные из очень тонкой пленки.
Для создания и сохранения формы такие отсеки либо должны иметь каркас, ли­
бо внутри должен находится под небольшим давлением газ, например, азот. В
бескаркасной схеме появление в оболочке отверстий вызывает травление газа и,
как следствие этого, отсек теряет форму. Для устранение этого должна быть
предусмотрена система наддува оболочки, запас газа в которой зависит от чис­
ла и диаметра отверстий, полученных в результате воздействия потока метеор­
ных и техногенных частиц.
Для определения числа отверстий вводится предположение, что при
достижении вероятности непробоя Рнп = 0,99 в оболочке появляется одно от­
верстие, при меньшем значении - отверстий несколько.
Число отверстий вычисляется по формуле
Т0
Иотв
5
Td
где
То - время активного существования отсека, сут.;
Td - отрезок времени, за который появится одна пробоина.
In 0,99
Td = -------------------------, суток;
D
D - обобщенный коэффициент из зависимости, определяющей число
пробоев за время активного существования ( см. Раздел 1 ),
N
0 TC
D = ---------------То
Noxc - число пробоин ( из расчета К А );
40
Тогда
Noxc
Иотв
•
In 0,99
Зная из расчета КА дюралевый эквивалент оболочки 8Э(см), можно най­
ти диаметр частицы, которая способна пробить эту оболочку
5Э
do = -------------------- ,
(
Po*V 0
Т 38
1Д8 | ------------- |
I V рАЛ*С)АЛ )
где
ро - плотность частицы, г/см3 ;
Р а л - плотность Д16АТ, г/см ;
Vo - скорость соударения, км/с;
стал - прочность Д16АТ, ГПа;
8.2. Запас газа для наддува оболочки
Для компенсации потери газа через пробоины за время активного суще­
ствования необходимо иметь запас, равный
Мгаз = Q*T0, кг,
где
Q - расход газа через отверстия в оболочке, кг/с;
Q
где
W cyMM -
=
W
cyM M * a * p B ;
суммарная площадь отверстий, м
п d 02
W сумм
П охв * К ■
4
к - коэффициент, учитывающий, что диаметр отверстия а пробое
больше диаметра частицы;
а =20,1 V t
скорость в пробоине, равная скорости звука, м/с;
t - температура газа, К;
рв - плотность газа в оболочке, кг/м3;
41
8.3. Определение степени эрозии поверхности отсека
На КА могут иметься не только поверхности, задающие объем отсека, но
и поверхности, которые должны иметь определенные оптические свойства. К
таким поверхностям можно отнести стекла иллюминаторов, линзы и стеклян­
ные зеркала оптических приборов, полированные металлические поверхности и
пр. Соударение таких поверхностей с ВСМЧ может привести к ухудшению оп­
тических свойств за счет появления на поверхности кратеров с растрескиванием
и с ухудшением чистоты из-за дополнительных выступов и впадин. Ухудшение
оптических свойств - это та эрозия, которая вредит выполнению заданного
предназначения.
Следует отметить, что ухудшение оптических свойств может происхо­
дить при осаждении на поверхностях продуктов сгорания и выплесков жидко­
сти, например, из сопел и клапанов ЖРД и микро-ЖРД. Это следует учитывать
при компоновке КА и не допускать такого осаждения на оптические приборы.
Вероятность отказа в работе оптического элемента поверхности зависит
от относительной площади повреждений на этом элементе.
Эрозия зависит, в основном, от выбранного материала и его твердости,
от положения поверхности на КА, от времени экспонирования ее, от распреде­
ления метеорных и техногенных частиц по массам.
При разработке математической модели для оценки повреждающего
действия метеорных и техногенных частиц принимают следующие допущения:
1. Вероятностная площадь повреждения поверхности оптического эле­
мента от одной частицы любой массы равна
F n(m ) =P(m )* F P(M ),
где
Р(ш) - вероятность попадания частицы , массой больше
ш, на
поверхность элемента;
Fp(m) - площадь разрушения поверхности частицей массой ш при ус­
ловии попадания частицы с вероятностью, равной единице.
2. Площадь повреждения поверхности частицами различной массы
i=n
i=n
Fz =
Z F m = Z P(rrii)* FpCmO.
i=l
i=l
где
n - количество участков в законе распределения частиц по массам, при­
нимаемых за средние значения в i-ом диапазоне ( i = 1,п);
3. Вероятность попадания частицы массой, большей m i, оценивается по
формуле
Р(ш) = 1 - ехр( -D*m's ),
42
где
s - показатель степени в интегральном законе распределения частиц по
массам;
N = D*m's (см. раздел 1 );
s = 0,4 при ln(m )<5,75;
s = 1,2 при ln(m )>5,75
D - коэффициент, получаемый из расчета КА по определению вероятно­
сти непробоя Pi отсека , на котором размещается оптический элемент
h(Pi)
mi - масса частицы, спсобной пробить оболочку с расчетной величиной
дюралевого эквивалента.
4. Диаметр разрушения Dp принимается пропорциональным диаметру
частицы
Dp = k*d;
где
к - коэффициент пропорциональности. ( Для стекла к = 30, для металлов
к = 5 );
d - диаметр частиц с массой на участке из разбиения частиц по массам
5. Глубина крктера принята равной
LKp = 2,5 *d.
Исходя из принятых предположений, суммарная площадь повреждения
i=n
Fs = X [1 - ехр( -D*m's )] *А* (пц)2/3,
i=l
Г 6 г
где
А = 0,025 л * К 2*|---------- 1 ;
I 7Г*р )
р - плотность частицы, равная 2,5 г / см3 .
Разбиение диапазона масс ведется, начиная с массы, способной пробить
гладкую оболочку толщиной, равной дюралевому эквиваленту. Далее ряд стро­
ится так, что последующая частица имеет массу в !0 раз меньшую предыдущей.
Ряд заканчивается тогда частица делает кратер, глубина которого меньшее
среднеквадратичной глубине впадины микронеровностей, являющейся одной
из характеристик оптического элемента.
Относительная площадь повреждения, т.е. степень повреждения поверх­
ности эрозией равна
Fe
где
F
F - площадь элемента оптической поверхности .
43
9. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЕТОВ
Программа МТОПКА предназначена, в основном, для учебных целей. Ее
можно использовать при выполнении дипломных проектов по проектированию
КА различного назначения. Для приобретения навыков по этой тематике в
учебных планах в разделе “ Проектирование ЛА” запланированы курсовой
проект или классная работа на эту тему.
Исходными данными для оценки опасности полета проектируемого КА
служат:
- общий вид или габаритный чертеж ( или эскиз ) КА, с разделенными
на нем образмеренными отсеками, учитывая что в программе размеры вводятся
в метрах;
- на габаритном чертеже ( или отдельно) приводятся данные по конст­
рукции оболочек:
- число слоев;
- толщина каждого слоя;
- материал каждого слоя;
- числа , определяющие разбиение поверхностей на элементы;
- характеристики орбиты ( высота орбиты и ее наклонение ). В модели
расчета принято, что орбита КА круговая;
- срок активного существования;
- положение КА на орбите. Если КА имеет ось симметрии, то желатель­
но, чтобы эта ось совпадала с осью ОХ скоростной системы координат, а при
наличии у КА плоскости симметрии желательно , чтобы ось 0Y связанной сис­
темы лежала в плоскости X0Y скоростной системы. В программе имеется воз­
можность расчет проводить при любом положении осей;
- предполагаемый год запуска КА в космос.
По исполнении расчета в дипломном проекте исходные данные и ре­
зультаты расчета оформляются отдельным разделом или главой. В курсовом
проекте оформляется отчет с пояснительной запиской, содержание и объем
которой дается в задании на проектирование КА.
Все три программы работают в диалоговом режиме, когда на экране
ЭВМ появляются вопросы к пользователю, на которые тот должен ответить,
либо появляются различные сообщения, либо высвечивается окно с меню, вы­
полнение пунктов которого должен выбрать пользователь. Чаще всего меню
оформляется в виде имеющего название окна с перечнем задач, которые поль­
зователь может выполнить или перейти к выполнению какой-либо процедуры.
Пункты подсвечиваются курсором, положение которого меняется нажатием
стрелок “вверх/вниз”. Переход на выполнение задания осуществляется нажати­
ем клавиши “Enter”. При вводе данных рядом с окном появлется столбец с уже
имеющимися в памяти значениями вводимых параметров, а при первом нажа­
тии клавиши “Enter’ появляется окошко, в которое надо занести значение вво­
димого параметра. При повторном нажатии “Enter” это значение переносится в
столбец памяти. Каждое меню имеет строку выхода и перехода на дальнейший
счет.
44
Перед началом счета необходимо, особенно, если намечается выдача ри­
сунков на принтер, обратиться и выполнить программу, находящуюся в DOS, а
именно: DOS \ graphics.com.
Ради удобства Желательно для работы заготовить рабочий каталог, в
котором разместить файлы:
egavga.bgi;
ummt3_l .exe;
ummt3_2.exe;
ummt3_3.exe;
graph.tpu;
strcatl .tpu;
umchvmOO.tpu;
umtOO.tpu;
umzag00.tpu4
wincatl .tpu.
При чтении файлов с МД или записи их на него пользователь должен
указывать заготовленные ранее имена этих файлов.
Последовательность работы с программами такова, что вначале долж­
ны быть введены ИД с занесением их на МД. Затем можно обращаться к другим
программам. Желательно перед счетом провести контроль ИД.
Расчет по программам идет в следующем порядке
Работает программа UMMT3_1.EXE. (Ввод ИД)
п.1. Вызов и запуск программы UMMT3_1.EXE;
п.2. Высвечивается заголовок N 1. Нажать <Enter>;
п.З. Высвечивается заголовок N 2. Если пользователь не знаком с про­
граммой ( Нажмет <N> ), то выдаются краткие сведения о программе, иначе
переход к п.4;
п.4. Вызывается меню “Материалы” со строками, выбираемыми пользо­
вателем:
- ввод стандартного ( см. раздел ) списка материалов, исполь­
зуемых в конструкции КА. Файл stm.dat имеется на МД.
- формирование или исправление списка материалов с помощью
клавиатуры;
- запись на МД или чтение с МД файла , составенного пользовате­
лем, со списком материалов;
- выдача для проверки на экран или принтер списка материалов;
- работа со списком материалов закончена. Переход к п.5.
п.5. Вызывается меню “Работа с И.Д.” со строками:
- вызов с МД сформированных ранее исходных данных по КА;
- ввод вновь или исправление ИД;
- изъятие введенных ранее строк с ИД;
- запись ИД на МД;
- поворот связанных осей КА относительно скоростных;
- восстановление положения связанных осей КА;
- работа с ИД закончена. Переход к п. .
2
6
45
п. . Обработка ИД. Вычисление коэффициентов для дальнейшего опре­
деления дюралевого эквивалента оболочек отсеков.
п.7. Запрос: Закончить счет (Y/N) ? Если надо повторить (Ввод <Y>),
то осуществляется переход к п. .
п. . Высвечивается заголовок окончания работы программы,
п.9. Выход из программы
6
2
8
Работает программа UMMT3_2.EXE. ( Контроль И Д )
п.1. Вызов и запуск программы UMMT3_2.EXE;
п.2. Высвечивается заголовок N 1. Нажать <Enter>;
п.З. Высвечивается заголовок N 2. Нажать <Enter>;
п.4. Вызов из МД файла с характеристиками материалов,
п.5. Чтение с МД файла с ИД.
п. . Проведение графического контроля. На экран выдается изображение
КА, поверхность отсеков которого разбита на элементы.
п.7. Если необходимо, то можно выдавать изображение КА на принтер,
п. . Если необходимо, то можно выдать ИД на принттер.
п.9. Если необходимо повторить контроль, то перейти к п. , иначе - вый­
ти из программы контроля.
п. 10. Высвечивается заголовок окончания работы программы,
п. 11. Выход из программы
6
8
6
Работает программа UM M T3_3.EXE (Расчет вероятности непробоя и
выдача схемы уязвимости)
п.1. Вызов и запуск программы UMMT3_3.EXE;
п.2. Высвечивается заголовок N 1. Нажать <Enter>;
п.З. Высвечивается заголовок N 2. Нажать <Enter>;
п.4. Чтение с МД файла с ИД.
п.5. Ввод числа проб для задания распределения случайных векторов
подхода метеорных и техногенных частиц к элементам поверхности оболочек
отсеков КА.
п. . Вызывается меню “Режимы работы” со строками:
- начало расчета;
- продолжение и окончание расчета;
- выдача результатов расчета на экран и принтер;
- выдача схемы уяязвимости на экран и принтер;
- выход из меню. Переход к п.7.
п.7. Запрос: Закончить счет (Y/N) ? Если надо повторить (Ввод <Y>),
то осуществляется переход к п. .
п. . Высвечивается заголовок окончания работы программы,
п.9. Выход из программы
Если результаты расчета неудовлетворительны, то ввести соответст­
вующие изменения в исходные данные и повторить счет.
6
6
8
46
10. ПРИМЕР РАСЧЕТА ВЕРОЯТНОСТИ НЕПРОБОЯ КА
В качестве примера расчета вероятности непробоя КА предлагается тесто­
вый КА UMPRIM, габаритный чертеж которого показан на рис.14. (см.
стр.4 8 )
10.1. И сходные данные КА
Исходные данные примера:
- габаритный чертеж дан на эскизе;
- конструкция отсеков и разбиение поверхности на элементы определена
описанием;
- орбита круговая, высота орбиты И орб = 500 км;
- наклонение орбиты i = 65 ° ;
- время активного существования Т акТ= 3 года;
- ось ОХ КА совпадает с вектором скорости ;
- запуск КА в 2010 году;
- вероятность непробоя оболочек отсеков КА метеорными и техногенными
частицами Рнпщ>= 0.95.
10.2. Порядок расчет а
- Обращение к программе DOS\graphics.com:
- Обращение к программе UMMT3_1.EXE,
- Вызов списка предлагаемых материалов ;
- Выдача списка материалов на экран монитора;
- Выдача списка материалов на принтер (см.стр.49);
- Ввод геометрии КА и данных по конструкции оболочек отсеков;
- Запись ИД на диск ;
- Обращение к программе UMMT3_2.EXE,
- Вызов списка предлагаемых материалов ;
- Считывание ИД с МД;
- Проведение графического контроля.
- Выдача на принтер изометрии КА ( см .стр.50)
- Выдача на принтер геометрических данных КА(см.стр.51);
- Выдача на принтер данных по конструкции оболочек (см.стр.52)
- Обращение к программе UMMT3_3.EXE,
- Начать счет с начала;
- После прерывания расчета перейти к продолжению счета;
- Выполнить окончание счета ;
- Выдать результаты расчета на экран;
- Выдать результаты расчета на принтер (см. стр.53);
- Выдать схемы уязвимости метеорными частицами (см.стр.54);
- Выдать схемы уязвимости техногенными частицами (см.стр.55);
47
О
х
9
О
х
10
z
- донышко;
- нижний конус;
3 - навесной холодный радиатор (НХР);
4 - верхний конус;
5 - спускаемый аппарат (СА);
- нижнее днище навесного отсека;
7 - обечайка навесного отсека;
- верхнее днище навесного отсека;
9 - солнечная батарея;
- солнечная батарея.
1
2
6
8
1 0
Рис. 14. Габаритный чертеж КА UMPRIM
М 1:50
Размеры в метрах
48
49
Рис. 15.
50
Изометрия КА UMPRIM
51
52
Таблица. Результатыы расчета
метеорными и техногенными частицами
вероятности
непробоя
корпуса
КА
На основе результатов расчета вероятности непробоя корпуса КА (см. Таб­
лицу) и выданных схем уязвимости метеорными и техногенными частицами ( на­
чальное приближение ) проводится оценка выбранной конструкции обоолочки
КА. Если оценка неудовлетворительна, то вводятся в исходные данные соответст­
вующие изменения и провоятся расчеты для последующей оценки принятых ре­
шений.
10.3. Последующие расчеты для оценки МТОПКА
Поссле получения результатов расчетов метеорно-техногенно 1 опасности
полета КА (МТОПКА) (при очередном приближении к наилучшему сочетанию
парметров ) проводится очередная ее . При этом особое внимание обращается на
наиболее уязыимые места, выявленные при выполнении предыдущих расчетов.
Оценке соответствия предлагаемых значений параметров заданным могут подвер­
гаться, в принципе, все парамтрыБ такие,как :
- летные характеристики;
- орбитальные характеристики;
- состав оборудования и его компоновка;
- конструкция отсеков КА и его механизмов;
- экономические параметры;
- другие праметры проектируемого КА.
В предлагаемом примере изменению подвергся отсек N 3 -навесной холод­
ный радиатор (НХР). В этом иизменении предлагается изменить конструкцию ка­
налов для теплоносителя, заменив овальные, вздутые и листе материалаа, на спе­
циальные профили ( см. вариант V в разделе 4.1). Для удобства счета отсек N3
выполнен трехслойным без каналоов, а все каналы -профили объединить в отсеке
N 9. Расчет провоодился согласно правилам раздела 9.1. с
с выдачей информа­
ции на принтер (см. стр.56-61).
53
Рис. 16 Схем уязвимости КАметеорными частицами
54
Рис. 16. Схема уязвимости КА техногенными частицами
55
Рис. 17. Изометрия КА UMPRIM (второй вариант)
57
57
58
Таблица. Результатыы расчета вероятности непробоя
метеорными и техногенными частицами ( второй вариант).
корпуса
КА
Анализ двух вариантов расчета МТОПКА показал, что второй вариант дает
лучший, чем у перввого, показатель по варианту непробоя оболочки КА метеонрными и техногенными частицами.
Для первого варианта Рнпщ = 0,78635,
для ыторого вырианта Р нпо -0,9589 .
Из этого следует, что во втором приближении изменения допустимы. Тем
не менее для улчшения показателя необходимо провести еще некоторые тзменения.
59
Рис. 18. Схема уязвимости КА метеорными частицами ( 2-щй вариант)
60
Рис. 18. Схема уязвимости КА техногенными частичами ( 2-ой вариант)
61
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Введение
1. МЕТЕОРНО-ТЕХНОГЕННОЕ ОКРУЖЕНИЕ КА
1.1. М одель метеорного окруж ения
1.2. М одель техногенного окруж ения
3
5
5
8
2. СОУДАРЕНИЕ ВСМЧ С ПРЕГРАДАМИ
10
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
Соударение с одиночной плот ной преградой
Соударение с пористой преградой
Соударение с многослойной преградой
Определение дюралевого эквивалент а преграды
3. ГЕОМЕТРИЯ ОТСЕКОВ КА
10
11
13
15
16
3.1. Геометрия примит ивов
16
3.2. Преобразование координат при повороте КА
19
4. КОНСТРУКЦИЯ ОБОЛОЧЕК ОТСЕКОВ КА
21
4.1. Защ ит а оболочек КА от опасного возд/ на н и х В С М Ч
22
5. РАЗБИЕНИЕ ОБОЛОЧЕК КА НА ЭЛЕМЕНТЫ
24
5.1. Разбиение плоского четырехугольника
24
5.2. Разбиение боковой поверхности тела вращения
25
6. ВЕРОЯТНОСТЬ НЕПРОБОЯ ОБОЛОЧЕК КА
28
6.1. Определение поправочного коэффициента Kj
29
6.2. Определение расчет ной т олщ ины 8
31
6.3. Определение расчет ной площ ади элемента поверхностиFj
31
6.4. Определение числа пробоев мет еорными частицами
32
6.5. Определение числа пробоин т ехногенными частицами
33
6.6. Определение площ ади экранирования одного элемента другим
33
7. КОНТРОЛЬ
35
7.1. Список применяемы х мат ериалов
35
7.2. Геометрические данные отсеков
7.3. Д анны е по конст рукции оболочек
7.4. Графический контроль
7.5. Контроль на этапе счета
7.6. И ллю ст рация уязвимост и
7.7. Результаты расчет а вероятности непробоя оболочек КА
8. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГРАММЫ
8.1. Определение числа пробитых отверстий в тонкой оболочке
8.2. Запас газа для наддува оболочки
8.3. Определение степени эрозии поверхности отсека
9. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЕТОВ
10. ПРИМЕР РАСЧЕТА ВЕРОЯТНОСТИ НЕПРОБОЯ КА
10.1. И сходные данные КА
10.2. Порядок расчет а
10.3. Последующ ие расчеты для оценки М ТОПКА
62
СПИСОК
использованных ист очников
1. ГОСТ 25645.128-89 Физическая модель________
2. ЗРД 50-25645.324-29 Оценка ... Метод.указания
3. ГОСТ Р В 25645.164-97 Техногенные
36
36
31
38
3
39
40
40
41
42
44
47
47
47
53
8
63
№
отс.
A1
Y1
XI
2.05
0.85
10
11
0.00
0.00
Z1
1.35
-1.35
A1
№
XI
OTC.
1
2
Y1
0.00 0.00
0.00 0.00
0.85
0.00
2.05
0.00
3.10
0.00
6.10 0.00
6.10 0.00
6.85
0.00
1.93
0.00
3
4
5
6
7
8
9
№
OTC
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
X2
0.85
2.05
A2
Y2
0.00
0.00
Z2
1.35
-1.35
A2
Z1
X2
Y2
0.00 -1.00 0.00
0.00 1.00 0.00
0.00 3.00 0.00
0.00 4.00 0.00
0.00 4.00 0.00
0.00 3.00 0.00
0.00 8.00 0.00
0.00 8.00 0.00
0.00 4.00 0.00
Z3
3.55
-3.55
0.00
0.00
A3
Z2
X3
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00 1.00
0.00 1.00
1.00
0.85
2.05
1.00
3.10
1.00
6.10 1.00
6.10 1.00
6.85
1.00
1.93
1.00
1
слой
Марка
Толщ, (мм)
ЭВТИ
15.00
ЭВТИ
15.00
АМГ6
0.50
ЭВТИ
15.00
АСБО
40.00
ЭВТИ
15.00
ЭВТИ
ЭВТИ
15.00
АД1
...................... отсек
...................... отсек
A3
Y3
X3
0.85
2.05
Y3
X4
2.05
0.85
Z3
R1
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
слоя
Марка
Толщ, (мм)
АМГ6
АД1
ЭВТИ
15.00
2.50
АМГ6
АМГ6
3.00
АМГ6
АМГ6
АМГ6
АД1
эк р а н ..............
эк р а н .............
1.00
1.00
2.00
2.00
2.00
1.00
-
Z4
3.55
-3.55
0.00
0.00
Ni
Nj
1
1
1
1
R
1.35
1.35
0.50
R2
R3
0.50
0.50
1.35
1.35
0.50
-
0.00
0.00 1.00
1.00 1.00
0.00 1.00
1.35
1.35
2
2.00
1.00
A4
Y4
Марка
АМГ 6
АМГ 6
-
1.30
2.50
-
2.50
-
Ni
Nj
H
12
12
12
12
12
12
12
12
12
1
2
2
2
8
2
2
2
1
0.00
3 слоя
Толщ, (мм)
2.50
2.50
0.85
1.08
1.05
2.50
0.21
0.75
0.21
0.12
Марка
A
L
F
360
360
360
360
360
360
360
360
360
AF
0.00
0.00
A
F
p
R
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1
1
1
1
1
1
1
1
1
4 слоя
Толщ, (мм)
№
OTC.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Fi,
кв.м
0.750
6.790
9.057
7.659
19.681
3.122
4.659
3.122
1.006
Метеорная опасность
Ni м
Pi м
5.90E-0003
0.994120
1.43E-0005
0.999986
8.00E-0005
0.999920
9.27E-0003
0.990770
1.25E-0006
0.999999
1.23E-0003
0.998773
1.19E-0002
0.988164
1.35E-0002
0.986554
1.30E-0005
0.999987
Техногенная опасность
Ni
Pi
0.0000Е+0000
3.1014Е-0010
1.6317Е-0008
3.1559Е-0006
0.9999968
2.7558Е-0010
1.1851Е-0009
2.6202Е-0006
0.9999974
6.6217Е-0006
0.9999934
1.8181Е-0009
1.0000000
1.0000000
1.0000000
1.0000000
1.0000000
1.0000000
D экв,
мм
1.27
12.10
9.06
2.59
37.96
2.15
1.88
8.11
2.15