АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 СУЩЕСТВУЮЩИЕ ОЦЕНКИ МЕХАНИЗМОВ РАЗРУШЕНИЯ
МЕТЕОРИТОВ 7
1.1 Астероидная опасность: последствия падения метеоритов и возможности
управления 7
1.2 Современные представления о разрушении метеоритов 9
1.2.1 Описание атмосферы и аэродинамического торможения тел в ней 9
1.2.2 Механические характеристики вещества метеоритов 12
1.2.3 Существующие оценки температур и напряжений в метеоритах 15
1.3 Задачи данной работы 23
2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТРАЕКТОРИИ МЕТЕОРИТА 25
2.1 Вычисление давления и температуры набегающего потока - существующие
решения 25
2.2 Процедура для расчета торможения метеорита в атмосфере 29
2.3 Результаты вариантных расчетов 33
3 КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-
ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТЕОРИТА 42
3.1 Основные гипотезы и допущения 42
3.2 Свойства материалов 42
3.3 Особенности построения конечно-элементной модели 43
3.3.1 Для расчета напряжений от сил инерции 43
3.3.2 Для расчета температур и тепловых напряжений 51
3.4 Процедура расчета теплового потока и температур в Mathcad 52
3.5 Определение момента разрушения 53
3.6 Пример результатов расчета 57
4 ВАРИАНТНЫЕ РАСЧЕТЫ ПРОЧНОСТИ МЕТЕОРИТОВ 64
4.1 Каменные метеоры 64
4.2 Железные метеоры 71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 75
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 77
Проблема астероидно-кометной опасности с каждым годом становится всё актуальней. Недавнее падение метеорита «Челябинск» показало, что Земля довольно уязвима к попаданию таких крупных тел в атмосферу. К счастью, сейчас мировое сообщество понимает возможные последствия таких столкновений и разрабатывает комплекс мероприятий, который в критической ситуации позволит полностью избежать или хотя бы снизить опасность.
Чтобы принять обоснованное решение о необходимости каких-либо мер по снижению угрозы, требуется выполнить точную оценку возможного риска, связанного со входом конкретного тела в атмосферу Земли. При этом желательны полные исследования не только крупных объектов (диаметром не менее 100 м), но и сравнительно небольших. Следует понимать, что попадание даже маленьких метеоритов, например, в военные объекты или предприятия атомной энергетики может привести к катастрофам регионального или глобального масштаба.
В первую очередь необходимо понять, как поведет себя метеорит при попадании в атмосферу: сгорит в верхних слоях, разрушится на небольшой высоте или упадет на Землю. Для этого необходимо знать свойства объектов, которые могут столкнуться с Землей. Но гораздо важнее умение предсказывать возможные последствия столкновения. Те или иные последствия зависят не только от свойств астероидов, но и от угла и скорости входа в атмосферу, населенности района падения. Кроме того, нужно учитывать, что серьезную опасность может представлять не только непосредственное столкновение с Землей, но и ударная волна, обязательно сопровождающая падение метеора в атмосфере.
Настоящая работа посвящена исследованию возможности и механизмов разрушения метеоритов в атмосфере, поскольку такое разрушение может напрямую влиять на формирование воздушной ударной волны и последствия падения метеорита.
В выпускной квалификационной работе при изучении процессов, сопровождающих падение крупных тел в атмосфере, были решены следующие задачи:
1) разработана методика расчета механических напряжений, возникающих при аэродинамическом торможении метеорита в атмосфере;
2) разработана методика расчета теплового воздействия на падающий в атмосфере астероид;
3) на основе полученных методик выполнены вариантные расчеты для различных значений начальных параметров - скорости и угла входа, размера тела;
4) определена роль механических и тепловых напряжений в разрушении метеорита.
Была выполнена оценка адекватности предложенных моделей на примере Челябинского метеорита. Построен график распределения тепловых потоков, показана картина распределения напряжений от сил инерции, определена примерная высота взрыва - 23 км. Полученные результаты показали хорошее соответствие фактическим данным.
Для каждой модели выполнены вариантные расчеты, показано влияние каждого из параметров входа тела в атмосферу на величину теплового потока и максимальных напряжений. Получены следующие результаты:
1) интенсивность теплового воздействия в основном зависит от размеров тела. Для тел радиусом больше 0,3-0,5 м тепловой поток имеет порядок не менее 1010 Вт/м2. Внешний слой подвергается испарению. Весомый вклад тепловое воздействие вносит лишь в разрушение небольших тел. Под действием сильного теплового потока они могут полностью испариться либо, существенно затормозившись, могут разрушиться из-за возникших температурных напряжений;
напряжения, вызванные силами инерции, в большей степени зависят от размеров и начальной скорости болида, в меньшей - от угла входа в атмосферу. При входе в атмосферу метеоров размером до нескольких метров возможно их падение в виде цельного куска. Метеориты радиусом до 5-6 м, вероятно, не достигнут поверхности Земли. Астероиды диаметром от 10 метров будут дробиться, но, тем не менее, выпадут на Землю.
Исследован механизм дробления тела под действием сил атмосферы. При рассмотрении данного процесса как квазистационарного наиболее вероятный исход - поэтапное дробление астероида.
Так как разрушающее воздействие может оказывать не только столкновение метеорита с Землей, но и взрывная волна, был выполнен расчет величины избыточного давления в ударной волне, вызванной взрывом болида над поверхностью планеты. Показано, что величина избыточного давления в большей степени зависит от размеров тела. Так взрыв метеора радиусом 6-7 метров на высоте 10 км уже приведет к заметным локальным повреждениям, естественно, разрушение тел большего размера приведет к более серьезным последствиям.
На основе выполненных расчетов был дан ответ на главный вопрос - решающую роль в процессе разрушения метеорита в атмосфере играют напряжения, вызванные силами инерции.
