Raumfahrzeug

8.4 Ladungseffekte von Raumfahrzeugen

Die Oberflächenladung von Raumfahrzeugen ist der Aufbau einer elektrischen Nettoladung und damit eines elektrostatischen Potentials an den Außenflächen eines Raumfahrzeugs durch einfallende Teilchen mit Energien im Bereich von Kilo-Elektronenvolt bis zehn Kilo-Elektronenvolt. Ein geosynchrones Raumschiff lädt sich auf, wenn das Fahrzeug auf eine Region verstärkten Plasmas trifft, die mit einem magnetosphärischen Substurm verbunden ist. Diese verstärkten Plasma- „Wolken“ haben typische Teilchenenergien von 1 bis 50 keV. Große, polar umlaufende Raumfahrzeuge in geringer Höhe laden sich auf, wenn sie Regionen mit Polarlichtaktivität passieren. Kleinere Raumfahrzeuge in geringer Höhe, polare Umlaufbahnen können sich aufgrund von Mehrkörperwechselwirkungen aufladen, wenn sie sich in der Nähe eines größeren Raumfahrzeugs befinden, während sie eine Aurora passieren.

Zwei Arten des Ladens von Raumfahrzeugen sind besorgniserregend. Absolute Aufladung ist die Entwicklung eines Potentials des Raumfahrzeugrahmens relativ zum umgebenden Weltraumplasma. Differentielle Aufladung ist die Änderung des Potentials eines Teils des Raumfahrzeugs in Bezug auf einen anderen. Differentielle Aufladung kann starke lokale elektrische Felder erzeugen, die zu Entladungen führen können.

Raumfahrzeuge im geosynchronen Orbit laden bis zu zehn Kilovolt auf. Der SCATHA-Satellit zeigte, dass differentielle Oberflächenladungen von Raumfahrzeugen während Substürmen mit Entladungen und Betriebsanomalien verbunden sind. In einem Fall wurden auf dem Satelliten Potentialdifferenzen von mehr als 9,5 kV gemessen. Gleichzeitig wurden 29 Impulse vom transienten Impulsmonitor erfasst. Siebzehn der Impulse überschritten den maximalen Instrumentenpegel von 7,4 V. Zeitgleich mit den Entladungen gab es drei Anomalien, darunter einen 2-minütigen Datenverlust. Eine Untersuchung von 9 Jahren SCATHA-Daten zeigt eine Korrelation zwischen dem Strom von Partikeln mit Energien im Zehn-Kilovolt-Bereich, der Entwicklung von Oberflächendifferenzpotentialen über 100 V und elektrostatischen Entladungen .

In der Polarlichtregion wurden einige schwere Aufladungsereignisse beobachtet. Während 1983 beobachteten Instrumente an Bord des Defense Meteorological Satellite 7 (DMSP 7) ein absolutes Potenzial von − 800 V. Seitdem ein paar Ereignisse mit höheren Potentialen, bis zu – 1.2 kV, beobachtet worden. Mit keinem der beobachteten Ladeereignisse wurden Anomalien in Verbindung gebracht. Die Theorie sagt jedoch voraus, dass die größeren Raumfahrzeuge der Zukunft noch höhere Potenziale entwickeln werden.Mehrkörperwechselwirkungen können eine Oberflächenaufladung verursachen oder verstärken, wenn sich zwei elektrisch isolierte Raumfahrzeuge, wie das Shuttle und ein Astronaut während der extravehikulären Aktivität (EVA), in einem hochenergetischen (keV) Plasma nahe beieinander befinden. Da mehrere Raumfahrzeuge nur in niedrigen äquatorialen Umlaufbahnen geflogen wurden, in denen hochenergetische Partikel nicht natürlich vorkommen, wurde keine Aufladung aufgrund von Mehrkörperwechselwirkungen beobachtet.

Wie in Abbildung 8.6 gezeigt, verursacht die Oberflächenladung Probleme für betriebsfähige Raumfahrzeuge. Eine differentielle Aufladung kann zu erheblichen Potentialunterschieden zwischen benachbarten Oberflächen und damit zu Entladungen führen. Die Entladungen sind schnelle Impulse, typischerweise von vielen Ampere, für Nanosekunden bis Mikrosekunden. Ein primärer Effekt ist das Auftreten von elektronischen Schaltanomalien, die durch differenzladungsbedingte Entladungen ausgelöst werden können. Die entladungsinduzierten Transienten können Systemausfälle und möglicherweise Materialschäden verursachen. Eine häufigere Anomalie ist ein Phantombefehl, der ein Eingreifen vom Boden aus erfordert, was möglicherweise zu Datenverlust führt und somit die Betriebslebensdauer des Raumfahrzeugs verkürzt.

Abbildung 8.6. Die Auswirkungen der Oberflächenladung von Raumfahrzeugen umfassen EMI, Oberflächendegradation und Kontamination durch Entladungen, Störung von Partikelmessungen und erhöhte Anziehung von Kontamination.

Das Aufladen von Oberflächen kann zu erhöhten Verschmutzungsgraden führen, was zu Änderungen der Oberflächeneigenschaften führt. Die Oberflächenladung von Raumfahrzeugen kann die Kontamination auf zwei Arten verbessern. Erstens werden geladene Verunreinigungen von entgegengesetzt geladenen Oberflächen angezogen. Einige der Verunreinigungen, die sonst vom Raumfahrzeug wegdriften würden, werden von den geladenen Oberflächen angezogen und treffen bei höheren Energien auf, wo die chemische Bindung verstärkt wird. Zweitens kann sich das bei einem Austrag ausgestoßene Material auf anderen Oberflächen ablagern.

Verunreinigungen auf Oberflächen mit besonderen Eigenschaften, wie Linsen, können die besonderen Eigenschaften zerstören. Höhere Temperaturen können durch veränderte optische Oberflächeneigenschaften entstehen. Die Ladeeigenschaften können sich aufgrund von Änderungen der Sekundär- und Photoelektronenausbeute ändern. Die Abscheidung von dielektrischen Verunreinigungen kann auch die Oberflächenleitfähigkeit verändern. Schließlich kann die Oberflächenladung von Raumfahrzeugen Plasmamessungen der Weltraumumgebung verzerren. Das Ausmaß, in dem diese Effekte die Raumfahrzeugmission stören, variiert von Raumfahrzeug zu Raumfahrzeug und Ladeepisode zu Ladeepisode. Es war in den frühen 1970er Jahren, dass Raumfahrzeuge begannen Anomalien zu erleben, und in einem Fall Versagen, das schien Raumschiff-Lade im Zusammenhang zu sein. In den frühen 1970er Jahren wurde erstmals die Logik auf Computerebene in elektronischen Subsystemen eingeführt. Die empfindlichere Elektronik könnte durch Transienten gestört werden, die die Elektronik früherer Raumfahrzeuge nicht beeinflussten. Wenn die Elektronik empfindlicher wird, werden Vorsichtsmaßnahmen wichtiger.

Der Prozess der Ladungsansammlung auf Raumfahrtoberflächen wird verstanden, und es wurden Techniken entwickelt, um die damit verbundenen Probleme zu minimieren. Die NASA entwickelte die Designrichtlinien zur Bewertung und Steuerung der Ladeeffekte von Raumfahrzeugen, in denen das Verständnis des Problems zu diesem Zeitpunkt beschrieben und Techniken vorgeschlagen werden, um Probleme im Zusammenhang mit der Oberflächenladung von Raumfahrzeugen zu vermeiden. Computercodes wurden entwickelt, um Designer bei der Konstruktion von Raumfahrzeugen mit minimalen Oberflächenladungseffekten zu unterstützen. Die erste Verteidigungslinie gegen differentielle Aufladung ist die Minimierung der Fläche von Oberflächen, die Isolatoren oder schwimmende Leiter sind. Dies lokalisiert das Problem und reduziert die Ladungsmenge, die schnell entladen werden kann. (Manchmal sind die Potentialunterschiede größer, wenn die Bereiche kleiner sind, aber die Gesamtladung und die gespeicherte Energie ist kleiner.) Sorgfältige Beachtung der Konstruktion der Teile des Raumfahrzeugs, in denen Entladungen zu erwarten sind, verringert das Risiko weiter. Abschirmung und Filterung schützen die Schaltung vor der EMI, die sich aus einer verbleibenden schnellen Entladung ergibt. Für einige Anwendungen ist die Reduzierung der Oberflächenladung, sowohl differentiell als auch absolut, entweder durch Verwendung von Oberflächenmaterialien mit hoher Sekundärelektronenemission (passive Ladungssteuerung) oder durch Verwendung eines Plasmastrahlers (aktive Ladungssteuerung) notwendig.

In den letzten 15 Jahren gab es Bedenken hinsichtlich des Ladens von Raumfahrzeugen in geringer Höhe, die polar umkreisen, aufgrund von Aurora-Niederschlägen. Es wurde beobachtet, dass sich das 2−m-DMSP−Raumschiff auf – 1,2 kV auflädt, und ein 10-m-Raumschiff könnte sich auf – 10 kV aufladen. Das aurorale Laden unterscheidet sich vom geosynchronen Laden dadurch, dass die Ladeströme tendenziell viel höher sind, sich das Fahrzeug nur für Sekunden in einer Ladeumgebung befindet und die Laderate und das erreichte Potenzial von der Fahrzeuggröße abhängen. Darüber hinaus können Zweikörper- und Wake-Effekte wichtig werden, und eine unterschiedliche Aufladung zwischen Fahrzeugen wie einem Shuttle und einem Astronauten während EVA ist besorgniserregend. Die Bewertung eines polar umlaufenden Raumfahrzeugdesigns in geringer Höhe auf mögliche Probleme im Zusammenhang mit der Aufladung erfordert die Berücksichtigung komplizierterer Wechselwirkungen und die Verwendung anderer Rechenwerkzeuge und Umgebungen als für geosynchrone Raumfahrzeuge. Darüber hinaus müssen polar umlaufende Raumfahrzeuge in geringer Höhe in den Äquatorregionen gut funktionieren. Die Arbeit der frühen 1980er Jahre lieferte Raumfahrzeugdesignern Werkzeuge, um die Anzahl und Schwere der mit der Oberflächenladung verbundenen Anomalien zu reduzieren, ließ jedoch einige Fragen unbeantwortet. Mit der Miniaturisierung von Komponenten sind moderne Raumfahrzeuge anfälliger für EMI, daher sind strengere Anforderungen erforderlich.

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