Технология защиты космических аппаратов от высоковольтной электризации на геостационарных, высокоэллиптических и высокоширотных орбитах

Воздействие потоков заряженных частиц и электромагнитного излучения солнечного спектра на космические аппараты, находящиеся на геостационарных, высокоэллиптических и высокоширотных орбитах, приводит к накоплению на их наружных поверхностях электрических зарядов, возникновению значительных разностей потенциалов (нередко достигающих нескольких киловольт) как между аппаратом в целом и окружающей плазмой, так и между его отдельными элементами (дифференциальная электризация КА). Неоднородность покрытий наружных поверхностей КА, различие по условиям освещенности, вторично-эмиссионным свойствам материалов, условиям облучения частицами плазмы обусловливает различие уровней зарядки поверхности элементов и конструкций КА. Следствием дифференциальной электризации является возникновение электрических разрядов, которые нарушают функционировании жизненно важных систем КА, приводят к выходу их из строя, разрушению и деградации материалов, сокращают время активного существования КА на орбите.

Разработана технология обеспечения электрорадиационной безопасности КА на геостационарных, высокоэллиптических и высокоширотных орбитах. Технология включает аттестацию и отбор электрорадиационно стойких и электрически совместимых материалов наружных поверхностей КА по результатам испытаний на наземном стенде и использование специальной бортовой системы нейтрализации поверхностных потенциалов на орбите струями газоразрядной плазмы.

На этапе проектирования КА проводятся комплексные стендовые исследования радиацонной электризации материалов и покрытий наружных поверхностей КА в условиях имитации их функционирования на геостационарных, высокоэллиптических и геополярных орбитах. При этом определяются электрофизические свойства любых материалов, уровни зарядки, стойкость к электрорадиационному воздействию космического пространства, электрическая совместимость материалов, разрабатываются рекомендации по их аттестации и отбору, применению материалов и покрытий для предупреждения опасных последствий радиационной электризации КА.

Наземные испытания проводятся на плазмоэлектродинамическом стенде Института технической механики. Системы и технические характеристики стенда позволяют моделировать и имитировать условия функционирования, режимы движения и взаимодействия КА их систем с межпланетной средой (солнечным ветром), холодной и горячей плазмой, заряженными частицами, электрическими и магнитными полями, ультрафиолетовым излучением солнечного спектра, атомарным кислородом и др. в ионосфере магнитосфере Земли на высокоэллиптических, геостационарных и геополярных орбитах на высотах 150 - 40000 км.

Схема плазмоэлектродинамического стенда

Схема плазмоэлектродинамического стенда

1 - вакуумная камера с рабочим объемом 3,5 м3; 2 - система откачки; 3 - генератор сверхзвуковых плазменных потоков; 4 - модель КА; 5, 6 - системы диагностики и контроля параметров плазмы; 7 - криопанели (LN2); 8 - электронная пушка; 9, 11 - антенны системы сверхвысоких частот; 10 - источник ультрафиолетового излучения солнечного спектра.

 

Параметры среды, моделируемой на стенде

Бортовая система плазменной нейтрализации электрических зарядов на наружных поверхностях космических аппаратов представляет собой простое, компактное и надежное устройство с низким энергопотреблением и чистым газом в качестве рабочего тела. Элементами системы являются: инжектор положительных ионов потока низкотемпературной плазмы, работающий в режиме тлеющего разряда; система измерения и контроля напряженности электрического поля у поверхности элементов конструкции космического аппарата; система обратной связи и управления в цепи "датчик-инжектор"; система хранения и подачи газа, электропитания, пневмоавтоматики.

 

Плазменный инжектор

Плазменный инжектор

При превышении опасного уровня напряженности электрического поля у поверхности космического аппарата по сигналу датчика включается плазменный инжектор. Длительность импульса инжекции определяется зарядно-разрядными процессами на поверхности материала элемента конструкции космического аппарата и скоростью нейтрализации поверхностных и объемных зарядов.
При разрядном токе не более 0,1 А и потребляемой электрической мощности не более 50 Вт инжектор обеспечивает на выходе поток "мягкой" плазмы с концентрацией, примерно равной 1011 - 1013 м-3, и энергией положительных ионов <=400 эВ. Инжектор высотой <=0,3 м, размещенный на облучаемой поверхности, осуществляет эффективную нейтрализацию электрического заряда на площади ~ 3 м2. С увеличением высоты размещения инжектора площадь "нейтрализуемой" поверхности увеличивается. В качестве рабочего тела используется практически любой газ.


© 2001 Институт технической механики НАНУ и НКАУ