ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УДАРНОГО НАГРУЖЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПРИ СРАБАТЫВАНИИ СИСТЕМЫ ОТДЕЛЕНИЯ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МЕХАНИЧЕСКИХ УДАРНЫХ ИСПЫТАНИЙ

© О.Г.Деменко
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2018 г.

Одна из основных проблем обеспечения ударной прочности оборудования космического аппарата (КА) состоит в определении уровня ударного нагружения на этапе проектирования КА. Решить эту задачу расчётным путём в настоящее время невозможно, единственный доступный способ – ударные испытания. Наиболее достоверные ударные испытания, с использованием штатных средств отделения (СО) КА, проводятся после разработки всех составных частей и сборки КА в целом. Эти испытания полностью решают указанную задачу, однако они проводятся в тот момент, когда оборудование уже в основном разработано. Кроме того, такие испытания являются достаточно затратными и проводятся один раз, а перекомпоновка КА при его разработке производится многократно.

В связи с этим для рационального обеспечения ударной прочности КА желательно иметь в дополнение к натурным более дешёвые и многоразовые способы имитации эксплуатационного ударного нагружения КА. Одним из таких способов являются механические удары, наносимые металлическими предметами (ударный молоток и др.) по металлической поверхности КА. Такие удары возбуждают широкий спектр колебаний отклика в конструкции КА, они не требуют специальных условий, безопасны для персонала и конструкции, их мощность можно контролировать и варьировать в широких пределах. Однако возникает вопрос о возможности прогнозирования уровня действительного ударного нагружения при срабатывании СО КА по результатам механических ударных испытаний.

В пользу возможности такого подхода говорит тот факт, что оборудование КА располагается не в зоне прямого воздействия ударной волны, а в дальней зоне, где преобладают колебания отклика конструкции на импульсное воздействие. Поэтому, если при имитации воздействия СО место и направление ударного импульса останутся прежними, то и отклик конструкции будет подобен настоящему, поскольку сама конструкция КА при этом не меняется. С другой стороны, скорость нарастания нагрузки при срабатывании пиротехнической СО существенно выше, чем при имитации механическими ударами, поэтому в действительности спектр отклика должен быть более высокочастотным, т.е. отличие отклика на срабатывание СО и её имитацию должно быть разным на разных частотах, что существенно затруднит прогноз.

Результаты математического моделирования ударного взаимодействия тел, проведенного автором, подтверждают этот вывод: при существенной разнице в скорости нарастания нагрузки (в 100 и более раз) ударные спектры отклика перестают быть подобными в частотной области. Однако прохождение ударной нагрузки через соединительные узлы элементов конструкции КА, как показано в [1], «срезает» высокочастотную составляющую нагрузки, поэтому в зону установки аппаратуры приходят в основном низко- и среднечастотные составляющие ударного импульса, что значительно нивелирует для оборудования разницу в действительном и имитированном ударных нагружениях.

Экспериментальные исследования особенностей ударного нагружения элементов КА, проведенные автором и приводимые в докладе показывают высокую степень корреляции ударных спектров ускорений отклика конструкции КА при штатном срабатывании СО КА и при имитации её ударного воздействия механическими ударами (коэффициент корреляции ударных спектров ускорений отклика в зоне установки оборудования достигает величин 0,92…0,95).

Полученные результаты обосновывают необходимость продолжения работ в этом направлении, и, прежде всего, разработки методики расчётного определения ускорений ударного отклика по результатам имитационного нагружения. Выполнение этой работы позволит существенно облегчить выполнение задачи обеспечения ударной прочности КА.

Литература

1. Бирюков А.С., Деменко О.Г, Михаленков Н.А. Влияние жёсткости соединительной связи на передачу продольной ударной нагрузки через болтовое соединение тел // Вестник «НПО им. С.А. Лавочкина», 2017, № 1, стр. 53-63.