Оценка кинематических параметров частиц космического мусора после высокоскоростного взаимодействия с металлокерамическим экраном

Проведено сравнительное численное исследование эффективности защиты космических аппаратов от частиц космического мусора в качестве модификаций защиты Уиппла, состоящей из однородного алюминиевого экрана из сплава Al6061 и структурированных металлокерамических экранов из смеси Al6061+Al₂O₃ с одинаковой поверхностной плотностью для всех рассмотренных конфигураций. Рассмотрено высокоскоростное нагружение сферическим телом, имитирующим элемент космического мусора, в диапазоне скоростей 1–7 км/с. Сравнение результатов стойкости защитных пластин показало, что гомогенная, двуслойная преграда из Al6061+Al₂O₃ с зигзагом на границе пластины и пластина с чередованием колец с Al₂O₃ в центре обладают более высокой стойкостью в области высокоскоростного взаимодействия. Показано, что двуслойные конфигурации с керамическим слоем на фронтальной стороне обладают наибольшей баллистической эффективностью в области защиты космического аппарата от космического мусора при высокоскоростном взаимодействии. Исследование, проведенное в данной статье, может послужить основой для выбора неоднородных пористых структур при разработке более эффективной защиты космических аппаратов от высокоскоростных ударов.

1. Whipple F. L. Meteorites and space travel // Astron. J. 1947. V. 52, No 1161. P. 131. https://doi.org/10.1086/106009.

2. Smirnov N. N. Space flight safety: Past and future // Acta Astronaut. 2022. V. 194. P. 353–357. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2022.02.028.

3. Christiansen E. L., Crews J. L., Williamson J. E., Robinson J. H., Nolen A. M. Enhanced meteoroid and orbital debris shielding // Int. J. Impact Eng. 1995. V. 17, Nos 1–3. P. 217–228. https://doi.org/10.1016/0734-743X(95)99848-L.

4. Rakib M. A., Smith S. T., Tafsirojjaman T. A review of shielding systems for protecting off-earth structures from micrometeoroid and orbital debris impact // Acta Astronaut. 2024. V. 223. P. 404–425. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2024.07.019.

5. Pai A., Divakaran R., Anand S., Shenoy S. B. Advances in the whipple shield design and development: A brief review // J. Dyn. Behav. Mater. 2022. V. 8, No 1. P. 20–38. https://doi.org/10.1007/s40870-021-00314-7.

6. Федоров М. Ю., Краус Е. И., Шабалин И. И. Численное моделирование высокоскоростного ударного воздействия на конструкцию космических аппаратов // Космич. техника и технологии. 2021. № 3 (34). С. 24–36. https://doi.org/10.33950/spacetech-2308-7625-2021-3-24-36.

7. Christiansen E. L., Kerr J. H. Mesh double-bumper shield: A low-weight alternative for spacecraft meteoroid and orbital debris protection // Int. J. Impact Eng. 1993. V. 14, Nos 1–4. P. 169–180. https://doi.org/10.1016/0734-743X(93)90018-3.

8. Ren S., Zhang P., Wu Q., Zhang Q., Gong Z., Song G., Long R., Gong L., Wu M. Review of bumper materials for spacecraft shield against orbital debris hypervelocity impact // Def. Technol. 2025. V. 45. P. 137–177. https://doi.org/10.1016/j.dt.2024.09.002.

9. Bohl W. E., Miller J. E., Christiansen E. L., Davis B. A. HVI ballistic performance characterization of non-parallel walls // Procedia Eng. 2013. V. 58. P. 21–30. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2013.05.005.

10. Olivieri L., Giacomuzzo C., Francesconi A., Stokes H., Rossi A. Experimental characterization of multi-layer 3D-printed shields for microsatellites // J. Space Saf. Eng. 2020. V. 7, No 2. P. 125–136. https://dx.doi.org/10.1016/j.jssc.2020.05.001.

11. Lin M., Pang B. J., Cheng J. Experimental and numerical study on the mesh bumper by hypervelocity impact // Adv. Mater. Res. 2012. V. 457–458. P. 108–112. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.457-458.108.

12. Gongshun G., Ruitao N. Numerical simulation of hypervelocity impact on mesh bumper causing fragmentation and ejection // Key Eng. Mater. 2012. V. 525–526. P. 401–404. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.525-526.401.

13. Шумихин Т. А., Мягков Н. Н. Численное исследование высокоскоростного удара компактной частицы по сеточной преграде под углом // МКМК. 2024. Т. 30, № 3. С. 400–419. https://doi.org/10.33113/mkmk.ras.2024.30.03.08.

14. Dobrtsa D. B., Pashkov S. V., Khristenko Y. F. Study of the efficiency of corrugated mesh shields for spacecraft protection against meteoroids and manmade space debris // Cosmic Res. 2020. V. 58, No 2. P. 105–110. https://doi.org/10.1134/s0010952520020021.

15. Silnikov M., Guk I., Mikhaylin A., Nechuanov A. Efficiency of needle structure at hypervelocity impact // Acta Astronaut. 2018. V. 150. P. 73–80. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.10.026.

16. Myagkov N. N., Kalmykov P. N., Lapichev N. V., Leont'ev A. I., Nomakonova V. N., Ponomarev A. V., Sal'nikov A. V., Sokolov O. A., Shumikhin T. A. Studies of the fragmentation of spherical aluminum projectiles on a heavy mesh at velocities of up to 7 km/s // J. Exp. Theor. Phys. 2021. V. 132, No 2. P. 177–188. https://doi.org/10.1134/S1063776121020138.

17. Færgestad R. M., Olivieri L., Giacomuzzo C., Lopresti S., Pitacco G., Francesconi A., Cardone T., Ford K. A., Holmen J. K., Hopperstad O. S., Børvik T. Hypervelocity impact against aluminium Whipple shields in the shatter regime with systematic parameter variation: An experimental and numerical study // Int. J. Impact Eng. 2025. V. 195. Art. 105126. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2024.105126.

18. Silnikov M. V., Guk I. V., Nechuanov A. F., Smirnov N. N. Numerical simulation of hypervelocity impact problem for spacecraft shielding elements // Acta Astronaut. 2018. V. 150. P. 56–62. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.08.030.

19. Radchenko P. A., Radchenko A. V., Batuev S. P., Kanutkin A. V. Application of the finite element method to evaluate the effectiveness of spacecraft protective screens // Acta Astronaut. 2025. V. 229. P. 466–470. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2025.01.045.

20. Buzyurkin A. E., Fomin V. M., Kraus A. E., Kraus E. I., Shabalin I. I. Shape of fragments cloud behind heterogeneous screen by a space debris particle impact // Acta Astronaut. 2025. V. 226, Pt. 1. P. 169–177. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2024.10.036.

21. Kraus A., Buzyurkin A., Shabalin I., Kraus E. Numerical modelling of high-speed loading of periodic interpenetrating heterogeneous media with adapted mesostructure // Appl. Sci. 2023. V. 13, No 12. Art. 7187. https://doi.org/10.3390/app13127187.

22. Kraus A. E., Buzyurkin A. E., Shabalin I. I., Fomin V. M., Kraus E. I. Influence of thin-barrier geometry on the morphology of the debris cloud in interactions with space-debris fragments // Acta Astronaut. 2026. V. 238, Pt. B. P. 569–581. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2025.10.023.

23. Фомин В. М., Краус Е. И., Шабалин И. И., Краус А. Е., Бузюркин А. Е. Высокоскоростное взаимодействие гетерогенных материалов. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2025. 437 с.

24. Wilkins M. L. Computer Simulation of Dynamic Phenomena. Ser.: Scientific Computation. Berlin, Heidelberg: Springer, 1999. xvi, 246 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-03885-7.

25. Краус Е. И. Малопараметрическое уравнение ударной адиабаты с учетом эффекта плавления // Вестн. НГУ. Сер. Физ. 2008. Т. 3, № 4. С. 52–63. https://doi.org/10.54362/1818-7919-2008-3-4-52-63.

26. Краус А. Е., Краус Е. И., Шабалин И. И. Программный комплекс моделирования процесса динамического взаимодействия гомогенных и гетерогенных деформируемых твердых тел «Reactor3D» // Патент № 2024681904. Российская Федерация, ИТПМ СО РАН. Св-во о рег. прогр. для ЭВМ RU 2024684051 / опубл. 2024. 1 с.

27. Бузюркин А. Е., Краус А. Е., Краус Е. И., Фомин В. М., Шабалин И. И. Моделирование реакции гетерогенных металлокерамических образцов, созданных с помощью аддитивных технологий, на динамическое воздействие // Физ. мезомеханика. 2024. Т. 27, № 5. С. 34–50. https://doi.org/10.55652/1683-805X_2024_27_5_34-50.

28. Фомин В. М., Шабалин И. И., Краус Е. И. Взрыв, удар, защита // ИФЖ. 2025. Т. 98, № 7. С. 1715–1735.

29. Зукас Дж. А., Николас Т., Севфтм Х. Ф., Грещук Л. Б., Курран Д. Р. Динамика удара. М.: Мир, 1985. 296 с.