Отдел механики ионизированных сред

Завотделом - д-р техн. наук, профессор В.А.Шувалов

Завотделом  д-р техн. наук, профессор Шувалов В.А. Область исследований - процессы взаимодействия твердого тела с потоками плазмы, потоками высокоэнергичных частиц (атомов, молекул, атомных и молекулярных ионов, электронов), с электромагнитными полями и излучением; моделирование условий функционирования космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли.

Методы исследований - физическое и математическое моделирование плазменных эффектов и процессов взаимодействия космических аппаратов с околоспутниковой средой, разработка и изготовление научной диагностической аппаратуры для космических аппаратов и аппаратуры для экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования проводятся на разработанном и созданном в отделе плазмоэлектродинамическом стенде ИТМ, включенного Кабинетом министров Украины в Государственный реестр научных объектов, представляющих национальное достояние.

Плазмоэлектродинамический стенд сочетает свойства аэродинамической трубы и вакуумной безэховой камеры, позволяет моделировать и имитировать условия взаимодействия космических аппаратов в ионосфере и магнитосфере Земли: условия длительной эксплуатации, режимы движения, аэродинамику и теплообмен, эффекты взаимодействия искусственных тел и космических аппаратов с межпланетной средой, с потоками плазмы солнечного ветра, потоками плазмы ионосферы и магнитосферы, заряженными частицами, электрическими и магнитными полями, электромагнитным излучением солнечного спектра и радиолокационного диапазона частот на высокоэллиптических, геостационарных, низких и геополярных орбитах (на высотах 150 - 40000 км). Технические системы стенда позволяют также проводить экспериментальные исследования некоторых астрофизических явлений: моделировать взаимодействие планет Солнечной системы, их магнитных полей, с потоками плазмы солнечного ветра.

Рис. 1. Плазмодинамический стенд ИТМ

Размеры рабочей части вакуумной камеры стенда: диаметр 1,2 м, длина 3,5 м. Система безмасляной откачки обеспечивает в камере статическое разрежение до 10-5 Па. Сверхзвуковые потоки атомарной и молекулярной разреженной плазмы, движущиеся со скоростями от 4 до 80 км/сек, создаются газоразрядным ускорителем с накаленным катодом, ионизацией рабочего тела электронным ударом и осцилляцией электронов во внешнем магнитном поле или ускорителями холловского типа. Система диагностики плазменных потоков включает электрические зонды, зонды давления, СВЧ - интерферометры, масс-спектрометр. Исследуемые модели и диагностические средства размещаются на подвижных платформах, что обеспечивает перемещение и высокоточный дистанционный контроль пространственных координат и ориентации объектов.

Разработаны принципы, методы и средства для исследования различных аспектов взаимодействия твердого тела с потоками плазмы, нейтральных и заряженных частиц, электромагнитного излучения, в характерных условиях полета космических аппаратов на геостационарных, высокоэллиптических и геополярных орбитах:

- Разработана теория, методы и средства контактной диагностики нейтрального и заряженных компонентов высокоскоростных потоков неравновесной столкновительной и бесстолкновительной, атомарной и частично диссоциированной молекулярной плазмы в широком диапазоне давлений, включая основные кинетические параметры ионизированной среды: концентрации и температуры ионов, электронов и нейтральных частиц, скорость их направленного движения, степень ионизации и степень диссоциации ионных компонентов плазмы.

Разработан и изготовлен комплекс бортовой научной аппаратуры. Аппаратура и методология диагностики предназначены для мониторинга состояния ионосферной плазмы и идентификации пространственно-временной локализации источников возмущений потоков нейтральных и заряженных частиц вдоль орбиты КА в ионосфере Земли, обусловленных природными катаклизмами и метеорологическими процессами и явлениями на подспутниковой трассе. Эффективность аппаратуры и процедур подтверждена в ходе эксплуатации комплекса на КА "Сич-2" (2011-2012 гг.).

Рис. 2. Детекторы нейтральных и заряженных частиц для спутника "Сич-2"

Экспериментально и теоретически исследованы:

- эффекты и механизмы ослабления и искажения радиосигналов и радиосигнатур тел искусственными плазменными образованиями в широком диапазоне радиолокационных частот (в сантиметровом, дециметровом и метровом диапазонах длин волн). Обоснована эффективность плазменного противодействия радиолокационному обнаружению и распознаванию сигнатур тел, движущихся в верхних слоях атмосферы Земли. Идентифицированы эффекты искажения радиосигналов, отраженных от элементов конструкций космических аппаратов, плазменными струями и искусственными плазменными образованиями, возникающими у поверхности космических аппаратов при работе электрореактивных двигателей, инжекции электронных пучков, и при проведении активных и пассивных экспериментов на орбите.

- процессы накопления и нейтрализации высоковольтных зарядов при облучении диэлектрических материалов и покрытий поверхностей космических аппаратов электромагнитным излучением, высокоэнергичными электронами радиационных поясов Земли на геостационарной орбите и авроральными электронами при сверхзвуковом обтекании космических аппаратов плазмой в полярной ионосфере. Разработана система автономной активной плазменной защиты элементов конструкции космических аппаратов от воздействия высоковольтной дифференциальной электризации.

- процессы эрозии полимерных конструкционных материалов КА при длительном воздействии потоков плазмы, атомарного кислорода и ультрафиолетового излучения в ионосфере Земли. Установлены пороговые значения флюенса атомарного кислорода и потока ультрафиолетового излучения, определяющих синергетический эффект ускоренной деградации полимерных конструкционных материалов, содержащих в составе мономер группы (CH)n. Показано, что при эксплуатации космических аппаратов более двух лет на высотах выше 400 км темпы деградации геометрических, весовых и термооптических характеристик полимеров увеличиваются в несколько раз.

- процессы деградации электрической мощности кремниевых солнечных батарей в на круговых, высокоэллиптических и геостационарных орбитах условиях длительного воздействия (в течение 10 - 15 лет) комплекса факторов космического пространства. Разработаны методики ускоренных ресурсных испытаний и получены расчетно-экспериментальные зависимости спада электрической мощности и изменения свойств материалов солнечных батарей от величины интегрального флюенса атомарного кислорода, из-за длительного воздействия ионизирующего и ультрафиолетового излучения, загрязнения защитных стекол, термоциклирования, радиационной электризации и влияния плазменных струй электрореактивных двигателей.

- процессы молекулярного загрязнения внешних поверхностей космических аппаратов продуктами термодеструкции органических материалов и покрытий внутренних поверхностей космических головных частей на этапе термостатирования воздухом высокого давления и при выведении на орбиту (для ракет-носителей "Днепр", "Зенит", "Циклон"). Разработаны расчетно-экспериментальные процедуры и методики для инженерных оценок уровня чистоты и массы слоя молекулярного загрязнения поверхностей.

Экспериментально и теоретически изучены закономерности магнитогидродинамического взаимодействия намагниченных тел с потоком разреженной плазмы. Выявлен эффект возникновения подъемной силы и аэродинамического качества у диэлектрической сферы в сверхзвуковом потоке разреженной плазмы при ненулевом угле между вектором индукции собственного магнитного поля и вектором скорости потока плазмы; определены кулоновские и магнитные составляющие коэффициентов силы сопротивления и подъемной силы.

Рис. 3. Влияние вращения собственного магнитного поля сферы на структуру поля течения в потоке разреженной плазмы

Показано, что изменение ориентации (вращение) собственного магнитного поля относительно вектора скорости потока плазмы является эффективным средством управления конвективным теплообменом и аэродинамическим качеством диэлектрического осесимметричного тела; этот эффект применим для спускаемых аппаратов в атмосфере Земли.

Экспериментально обоснована эффективность концепции использования искусственной (мини-)магнитосферы для управления движением космических аппаратов в ионосфере Земли и в межпланетном пространстве. Мини-магнитосфера позволяет реализовать режимы эффективного торможения или ускорения космического аппарата: увеличивать силу сопротивления (или тяги) в 3 - 4 раза по сравнению с "ненамагниченным" космическим аппаратом ("пустая магнитосфера").

Рис. 4. Искусственная магнитосфера при обтекании сферы с собственным магнитным полем потоком разреженной плазмы

Вдув плазмы в каверну мини-магнитосферы ("наполненная магнитосфера") позволяет увеличить силу сопротивления ещё в 2 - 3 раза.

Рис. 5. Вдув плазмы в пустую магнитосферу около сферы в сверхзвуковом потоке разреженной плазмы

- В рамках проекта LEOSWEEP (ESA) разработана методология физического моделирования длительного динамического воздействия высокоэнергетичных ионов плазменной струи бортового электрореактивного двигателя на объект "космического мусора" для увода его на более низкую орбиту с последующим сгоранием в атмосфере Земли. Методология основана на применении критериев эквивалентности двух режимов воздействия на объект космического мусора в ионосфере Земли и на стенде и процедуры ускоренных ресурсных испытаний распыления материала поверхности объекта и торможения его плазменной струей. Получены зависимости коэффициентов ионного распыления материалов внешнего покрытия объекта и коэффициентов аккомодации нормального и тангенциального импульсов от энергии ионов плазменной струи и угла атаки элемента поверхности относительно вектора скорости набегающего потока.

Рис. 6. Схема реализации проекта LEOSWEEP - удаления космического мусора

ИЗБРАННЫЕ ПУБЛИКАЦИИ:

  1. Contact Diagnostics of High-Velocity Flows of Rarefied Plasma / V. A. Shuvalov, G. S. Kochubei, A. I. Priimak, N. P. Reznichenko, N. A. Tokmak, D. N. Lazuchenkov // High Temperature. - 2005. - V. 43, N. 3. - P. 335-343.
  2. A probe diagnostics for high-speed flows of rarefied partially dissociated plasma / V. A. Shuvalov, N. I. Pis'mennyi, A. I. Priimak, G. S. Kochubey // Instruments and Experimental Techniques. - 2007. - V. 50, N. 3, P. 370-378.
  3. A calorimetric probe diagnostics for neutral and charged components of a rarefied plasma flow / V. A. Shuvalov, D. N. Lazuchenkov, G. S. Kochubei, S. V. Nosikov // Instruments and Experimental Techniques. - 2010. - V. 53, N. 3, P. 393-400
  4. A calorimetric probe diagnostics for neutral and charged components of a rarefied plasma flow / V. A. Shuvalov, D. N. Lazuchenkov, G. S. Kochubei, S. V. Nosikov // Instruments and Experimental Techniques. - 2010. - V. 53, N. 3, P. 393-400
  5. Шувалов В.А., Макаров А.Л., Лазученков Д.Н. Идентификация землетрясений по спутниковым измерениям возмущений ионосферной плазмы / В. А. Шувалов, А. Л. Макаров, Д. Н. Лазученков // Космічна наука і технологія. - 2016. - Т. 21, № 1. - С. 64 - 78.
  6. Radiation electrification of spacecraft leeward surfaces by auroral electrons in the ionosphere / V. A. Shuvalov, G. S. Kochubei, A. I. Priimak, V. V. Gubin, N. A. Tokmak // Cosmic Research. - 2003. - V. 41, N. 4. - P. 413 - 423.
  7. Distortion of radio reflections from spacecraft construction elements by plasma jets and structures: physical modeling / V. A. Shuvalov, A. E. Churilov, M. G. Bystritskii // Cosmic Research. - 2004. - V. 42, N. 3. - P. 228 - 237.
  8. Changes of properties of the materials of spacecraft solar arrays under the action of atomic oxygen / V. A. Shuvalov, G. S. Kochubei, A. I. Priimak, N. I. Pis'mennyi, N. A. Tokmak // Cosmic Research. - 2007. - V. 45, N. 4. - P. 294 - 304.
  9. Power losses of solar arrays under the action of an environment in a geosynchronous orbit / V. A. Shuvalov, G. S. Kochubei, V. V. Gubin, N. A. Tokmak // Cosmic Research. - 2005. - V. 43, N. 4. - P. 259 - 267.
  10. Charge transfer by high-energy electrons onto the leeward surfaces of a solid in a supersonic rarefied plasma flow / V. A. Shuvalov, A. I. Priimak, K. A. Bandel, G. S. Kochubei // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. - 2008. - V. 49, N. 1. - P. 9-17.
  11. Probe diagnostics of laboratory and ionospheric rarefied plasma flows / V. A. Shuvalov, N. I. Pis'mennyi, D. N. Lazuchenkov, G. S. Kochubey // Instruments and Experimental Techniques. - 2013. - V. 56, N. 4. - Р. 459 - 467.
  12. Shuvalov V. A. Diagnostics of nonequilibrium collisional plasma with a thermoanemometric probe / V. A. Shuvalov, G. S. Kochubei, D. N. Lazuchenkov // High Temperature. - 2011. - V. 49, N. 1. - P. 27-35.
  13. Control over heat exchange and deceleration of a "magnetized" body in a rarefied plasma flow / V. A. Shuvalov, A. I. Priimak, K. A. Bandel', G. S. Kochubey, N. A. Tokmak // High Temperature. - 2011. - V. 49, N. 3. - P. 335-343.
  14. Heat exchange and deceleration of a magnetized body in a rarefied plasma flow / V. A. Shuvalov, A. I. Priimak, K. A. Bandel', G. S. Kochubei, N. A. Tokmak // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. - 2011. - V 52, N. 1. - P. 3 - 12.
  15. Physical simulation of the interaction of "magnetized" bodies and the Earth's atmosphere in the hypersonic rarefied plasma flow / V. A. Shuvalov, S. N. Кulagin, G. S. Kochubey, N. А. Токмак // High Temperature. - 2012. - V. 50, N. 3. - P. 315 - 322.
  16. The mass loss of spacecraft polyimide films under the action of atomic oxygen and vacuum ultraviolet radiation / V. A. Shuvalov, N. I. Pis'mennyi, G. S. Kochubey, N. А. Токmak // Cosmic Research. - 2014. - V. 52, N. 2. - P. 99 - 105.
  17. Dynamic interaction of a "magnetized" cone with a hypersonic flow of rarefied plasma / V. A. Shuvalov, N. A. Tokmak, S. N. Kulagin, G. S. Kochubei // High Temperature. - 2013. - V. 51, N. 6. - P. 725-732.
  18. Control of the dynamic interaction of a "magnetized" sphere with a hypersonic flow of rarefied plasma / V. A. Shuvalov, N. A. Tokmak, N. I. Pis'mennyi, G. S. Kochubei // High Temperature. - 2015. - V. 53, N. 4. - Р. 463 - 469.
  19. Dynamic interaction of a magnetized solid body with a rarefied plasma flow / V. A. Shuvalov, N. A. Tokmak, N. I. Pis'mennyi, G. S.Kochubei // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. - 2016. - V. 57, N. 1. - Р. 145-152.
  20. Shuvalov V. A. Physical simulation of the action of atomic oxygen and vacuum ultraviolet radiation on polymer materials in the Earth's ionosphere / V. A. Shuvalov, N. A. Tokmak, N. P. Reznichenko // Instruments and Experimental Techniques. 2016. - V. 59, N. 3. - Р. 442 - 450.
  21. Shuvalov V. A. Synergetic effect of the action of atomic oxygen and vacuum ultraviolet radiation on polymers in the earth's ionosphere / V. A. Shuvalov, N. P. Reznichenko, A. G. Tsokur , S. V. Nosikov // High Energy Chemistry. - 2016. - V. 50, N. 3. - Р. 171 - 176.
  22. Physical simulation of the long-term dynamic action of plasma beam on a space debris object / V. A. Shuvalov, N. B. Gorev, N. A. Tokmak, G. S. Kochubei // Acta Astronautica. - 2017. - V. 132. - P. 97 - 102.
СЛУЖЕБНЫЙ АДРЕС:
Институт технической механики, ул.Лешко-Попеля, 15
49005, г.Днепр, Украина
КОНТАКТНОЕ ЛИЦО:
Шувалов Валентин Алексеевич
НОМЕР ТЕЛЕФОНА:
+38 056 2 47 24 88
НОМЕР ФАКСА:
+38 056 2 47 34 13
E-MAIL:
vashuvalov@ukr.net

© 2001 - 2018 Институт технической механики НАНУ и ГКАУ