Технологія захисту космічних апаратів від високовольтної електризації на геостаціонарних, високоеліптичних і високоширотних орбітах

Вплив потоків заряджених частинок і електромагнітного випромінювання сонячного спектра на космічні апарати, що знаходяться на геостаціонарних, високоеліптичних і високоширотних орбітах, призводить до накопичення на їх зовнішніх поверхнях електричних зарядів, виникнення значних різниць потенціалів (нерідко досягають декількох кіловольт) як між апаратом в цілому та навколишньою природною плазмою , так і між його окремими елементами (диференціальна електризація КА). Неоднорідність покриттів зовнішніх поверхонь КА, відмінність за умовами освітленості, вторинно емісійним властивостям матеріалів, умов опромінення частинками плазми обумовлює відмінність рівнів зарядки поверхні елементів і конструкцій КА. Наслідком диференціальної електризації є виникнення електричних розрядів, які порушують функціонування життєво важливих систем КА, призводять до виходу їх з ладу, руйнування і деградації матеріалів, скорочують час активного існування КА на орбіті.

Розроблено технологію забезпечення електрорадіаціонной безпеки КА на геостаціонарних, високоеліптичних і високоширотних орбітах. Технологія включає атестацію і відбір електрорадіаціонно стійких і електрично сумісних матеріалів зовнішніх поверхонь КА за результатами випробувань на наземному стенді і використання спеціальної бортової системи нейтралізації поверхневих потенціалів на орбіті струменями газорозрядної плазми.

На етапі проектування КА проводяться комплексні стендові дослідження радіацонной електризації матеріалів і покриттів зовнішніх поверхонь КА в умовах імітації їх функціонування на геостаціонарних, високоеліптичних і геополярних орбітах. При цьому визначаються електрофізичні властивості будь-яких матеріалів, рівні зарядки, стійкість до електрорадіаціонному впливу космічного простору, електрична сумісність матеріалів, розробляються рекомендації щодо їх атестації та відбору, застосування матеріалів і покриттів для попередження небезпечних наслідків радіаційної електризації КА.

Наземні випробування проводяться на плазмоелектродинамічному стенді Інституту технічної механіки. Системи і технічні характеристики стенду дозволяють моделювати і імітувати умови функціонування, режими руху і взаємодії КА їх систем з міжпланетним середовищем (сонячним вітром), холодною і гарячою плазмою, зарядженими частинками, електричними і магнітними полями, ультрафіолетовим випромінюванням сонячного спектру, атомарним киснем і ін. в іоносфері магнітосфері Землі на високоеліптичних, геостаціонарних і геополярних орбітах на висотах 150 - 40000 км.

Схема плазмаелектродинамічного стенду

1 - вакуумна камера з робочим об'ємом 3,5 м³; 2 - система відкачування; 3 - генератор надзвукових плазмових потоків; 4 - модель КА; 5, 6 - системи діагностики і контролю параметрів плазми; 7 - кріопанелі (LN₂); 8 - електронна гармата; 9, 11 - антени системи надвисоких частот; 10 - джерело ультрафіолетового випромінювання сонячного спектра.

Параметри середовища, що моделюється на стенді

швидкість потоку холодної (іоносферної) плазми - 4,5-8 км / c.
концентрація іонів і електронів холодної плазми - 10²-10⁶ см^-3.
температура електронів - 1-4 еВ.
температура іонів і нейтралів - 0,1-0,3 еВ.
ступінь іонізації - 10^-3-10^-1.
ступінь дисоціації (азот, кисень, водень) - 0,4-0,7.
високоенергійні електрони гарячої плазми - 0,1-35 кеВ.
щільність струму високоенергічних електронів - 10^-2-10² нА / см².
ультрафіолетове випромінювання сонячного спектра (115-700 нм) - 10^-2-10^-1 Вт / см².
температура поверхні зразків - 110 - 330 K.
електромагнітне (НВЧ) випромінювання - 3-40 ГГц.

Бортова система плазмової нейтралізації електричних зарядів на зовнішніх поверхнях космічних апаратів представляє собою простий, компактний і надійний пристрій з низьким енергоспоживанням і чистим газом як робоче тіло. Елементами системи є: інжектор позитивних іонів потоку низькотемпературної плазми, що працює в режимі тліючого розряду; система вимірювання та контролю напруженості електричного поля біля поверхні елементів конструкції космічного апарату; система зворотного зв'язку і управління в ланцюзі "датчик-інжектор"; система зберігання і подачі газу, електроживлення, пневмоавтоматики.

Плазмовий інжектор

При перевищенні небезпечного рівня напруженості електричного поля біля поверхні космічного апарату за сигналом датчика включається плазмовий інжектор. Тривалість імпульсу інжекції визначається зарядно-розрядними процесами на поверхні матеріалу елемента конструкції космічного апарату і швидкістю нейтралізації поверхневих і об'ємних зарядів.

При розрядному струмі не більше 0,1 А і споживаної електричної потужності не більше 50 Вт інжектор забезпечує на виході потік "м'якої" плазми з концентрацією, яка приблизно дорівнює 10¹¹ - 10¹³ м^-3, і енергією позитивних іонів <= 400 еВ. Інжектор висотою <= 0,3 м, розміщений на опромінюваній поверхні, здійснює ефективну нейтралізацію електричного заряду на площі ~ 3 м². Зі збільшенням висоти розміщення інжектора площа "нейтралізованої" поверхні збільшується. Як робоче тіло використовується практично будь-який газ.