НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: Fedorova_P.pdf (590.80Кб)

УДК 523.36; 531.58	Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

В статье представлены результаты расчетно-теоретических исследований по анализу возможности использования импульса реактивной тяги для увеличения глубины проникания высокоскоростных исследовательских модулей-пенетраторов, которые могут применяться при изучении строения поверхностного слоя Земли, а в ближайшей перспективе и других космических тел Солнечной системы. Исследовательская аппаратура (датчики и приборы различного назначения) размещается внутри прочного металлического корпуса пенетратора, имеющего заострение в головной части для уменьшения силы сопротивления при его движении в породах, слагающих верхний слой коры космического тела. Предполагалось, что подобный пенетратор дополнительно оснащен импульсным реактивным двигателем, срабатывающим на определенной стадии проникания пенетратора в преграду.

Реактивный пенетратор в процессе проникания в преграду рассматривался как недеформируемое тело переменной массы, на которое действует сила сопротивления среды и реактивная сила, прикладываемая в момент срабатывания реактивного двигателя. При определении силы сопротивления использовался двучленный эмпирический закон сопротивления, а головная часть пенетратора предполагалась имеющей коническую форму. Сила реактивной тяги полагалась постоянной в течение промежутка времени ее действия, что соответствовало допущению о постоянстве массового расхода и скорости истечения продуктов сгорания твердого ракетного топлива. Количество ракетного топлива в составе пенетратора характеризовалось числом Циолковского Z, задающим отношение массы топливного заряда к массе конструкции пенетратора без топлива.

Система уравнений, описывающих динамику проникания реактивного пенетратора, была приведена к безразмерной форме с использованием в качестве масштабов времени и глубины проникания значений, соответствующих прониканию эквивалентного инертного пенетратора (без реактивного двигателя). Описание динамики проникания реактивного пенетратора в указанном виде позволило избавиться от влияния на результаты решения задачи начальной массы пенетратора и диаметра его миделя. Отсутствие такой зависимости удобно для обобщении результатов расчетов – они сохраняют справедливость для пенетраторов произвольной начальной массы и размера миделя.

При проведении расчетов по прониканию пенетраторов в качестве грунтовой преграды рассматривался лунный реголит – малопрочная среда, напоминающая по свойствам мелкозернистый песок. В расчетах был рассмотрен диапазон начальных скоростей взаимодействия пенетраторов с грунтовой преградой от 250 до 1500 м/c при значениях числа Циолковского в диапазоне от 0,1 до 0,5. Полученные результаты свидетельствуют, что существуют оптимальные времена «включения» реактивной тяги и ее действия, при которых обеспечивается максимальный прирост глубины проникания. Наличие временного оптимума обусловлено конкуренцией двух факторов, сопровождающих проникание пенетратора с реактивным двигателем. С одной стороны, появляется дополнительная реактивная сила, что способствует увеличению глубины проникания. С другой стороны, в результате сгорания топливного заряда происходит уменьшение массы пенетратора, что ведет, напротив, к снижению его проникающей способности.

Показано, что существенное влияние на проникание пенетратора с реактивным двигателем оказывает значение числа Циолковского. С увеличением Z прирост глубины проникания возрастает. При начальной скорости  500 м/c и оптимальных временных параметрах реактивного импульса глубина проникания реактивного пенетратора увеличивается примерно на 40 % при Z = 0,1, на 90 % при Z = 0,25 и в 2,5 раза при Z = 0,5. С увеличением начальной скорости пенетратора эффективность его реактивного «доразгона», напротив, заметно снижается. Данное обстоятельство связывается со снижением относительной доли химической энергии сгорания ракетного топлива по сравнению с начальной кинетической энергией пенетратора при возрастании его скорости.

По результатам проведенных исследований сделан вывод о том, что оснащение исследовательского проникающего модуля импульсным реактивным двигателем является эффективным средством для существенного увеличения глубины его проникания в малопрочные грунтовые преграды. Обращено также внимание на то, что максимальный прирост глубины проникания достигается не при предварительном (до начала взаимодействия с преградой) срабатывании реактивного двигателя, а при его работе уже в процессе движения пенетратора в преграде.

Список литературы

1. Велданов В.А., Смирнов В.Е., Хаврошкин О.Б. Лунный пенетратор: снижение перегрузок, управление прониканием // Астрономический вестник. 1999. Т. 33, № 5. С. 490-494.
2. Велданов В.А., Наумов А.Н. Влияние времени включения и времени работы газодинамического разгонного устройства // Труды междунар. конф. «V Харитоновские тематические научные чтения». Саров: ВНИИЭФ, 2003. С. 499-501.
3. Федорова Н.А. Проникание ударника в грунтовую преграду с импульсом реактивной тяги // Сборник трудов пятой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. С. 230-231.
4. Велданов В.А. Закон сопротивления прониканию ударников в грунт // Оборонная техника. 1995. № 4. С. 32-34.
5. Велданов В.А., Федоров С.В. Особенности поведения грунта на границе контакта  с недеформируемым ударником при проникании // Прикладная механика и техническая физика. 2005. Т. 46, № 6. С. 116-127.
6. Никитин Н.Н. Курс теоретической механики. М.: Высшая школа, 1990. 607 с.
7. Федоров С.В., Федорова Н.А. Влияние импульса реактивной тяги на глубину проникания исследовательского зонда в грунт планеты // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 1. Режим доступа: http://engjournal.ru/catalog/machin/airborne/571.html (дата обращения 01.01.2014).