ruimtevaartuigen

8.4 Laadeffecten van ruimtevaartuigen

oppervlakteladen van ruimtevaartuigen is de opbouw van een netto elektrische lading en dus een elektrostatisch potentieel op de buitenoppervlakken van een ruimtevaartuig als gevolg van invallende deeltjes met energieën in het kiloelektronvolt tot tientallen kiloelektronvolt bereik. Een geosynchrone ruimtevaartuig laadt op wanneer het voertuig een gebied van versterkt plasma ontmoet geassocieerd met een magnetosferische substorm. Deze verhoogde plasma “wolken” hebben typische deeltjes energieën van 1 tot 50 keV. Grote, lage hoogte, poolcirkelende ruimtevaartuigen laden op wanneer ze door gebieden van poollichtactiviteit gaan. Kleinere ruimtevaartuigen in lage hoogte, polaire banen kunnen opladen als gevolg van multibody interacties, als ze in de buurt van een groter ruimtevaartuig terwijl het passeren van een aurora.

twee soorten opladen van ruimtevaartuigen zijn zorgwekkend. Absolute opladen is de ontwikkeling van een potentieel van het ruimtevaartuig frame ten opzichte van de omringende ruimte plasma. Differentieel laden is de verandering in het potentieel van een deel van het ruimtevaartuig ten opzichte van een ander. Differentieel opladen kan sterke lokale elektrische velden produceren die kunnen leiden tot ontladingen.

ruimtevaartuig in geosynchrone baanlading tot tientallen kilovolt. De scatha-satelliet toonde aan dat differentiële oppervlaktelading op ruimtevaartuigen tijdens substormen geassocieerd wordt met ontladingen en operationele anomalieën. In één geval werden potentiële verschillen van meer dan 9,5 kV gemeten op de satelliet . Tegelijkertijd werden 29 pulsen gedetecteerd door de transient polsmonitor. Zeventien van de pulsen overschreden het maximale instrumentniveau van 7,4 V. Gelijktijdig met de ontladingen waren drie anomalieën, waaronder een 2-min verlies van gegevens. Een onderzoek van 9 jaar van SCATHA gegevens toont een correlatie tussen de stroom van deeltjes met energieën in de tientallen kilovolt, de ontwikkeling van oppervlakte differentiële potentialen van meer dan 100 V, en elektrostatische ontladingen .

enkele ernstige oplaadvoorvallen zijn waargenomen in het poollichtgebied. Tijdens 1983, observeerden de instrumenten aan boord van de Defense Meteorological Satellite 7 (DMSP 7) een absoluut potentieel van − 800 V . Sindsdien een paar gebeurtenissen met een hoger potentieel, tot-1.2 kV, zijn waargenomen. Er zijn geen anomalieën in verband gebracht met een van de waargenomen oplaadgebeurtenissen. De theorie voorspelt echter dat het grotere ruimtevaartuig van de toekomst nog hogere potentialen zal ontwikkelen.

interacties met meerdere lichamen kunnen het opladen van het oppervlak veroorzaken of verbeteren als twee elektrisch geïsoleerde ruimtevaartuigen, zoals de shuttle en een astronaut tijdens extravehiculaire activiteit (EVA), in de buurt van elkaar zijn terwijl ze zich in een hoog-energetisch (keV) plasma bevinden. Aangezien meerdere ruimtevaartuigen alleen zijn gevlogen in lage equatoriale banen waar hoge-energetische deeltjes niet van nature voorkomen, is het laden als gevolg van multibody interacties niet waargenomen.

zoals weergegeven in Figuur 8.6, veroorzaakt het opladen van oppervlakken problemen voor operationele ruimtevaartuigen. Differentieel laden kan leiden tot aanzienlijke potentiële verschillen tussen aangrenzende oppervlakken, en dus tot ontladingen. De ontladingen zijn snelle pulsen, typisch van vele ampère, voor nanoseconden aan microseconden. Een primair effect is het optreden van elektronische schakelingsanomalieën, die kunnen worden geactiveerd door differentieel-opladen-gerelateerde ontladingen. De door ontlading veroorzaakte transiënten kunnen systeemstoringen en, mogelijk, materiële schade veroorzaken. Een veel voorkomende anomalie is een fantoomcommando, dat interventie van de grond vereist, wat mogelijk resulteert in verlies van gegevens, waardoor de operationele levensduur van het ruimteschip wordt verkort.

figuur 8.6. De effecten van het opladen van ruimtevaartuigen omvatten EMI, oppervlaktedegradatie en verontreiniging door ontladingen, verstoring van deeltjesmetingen en verhoogde aantrekking van verontreiniging.

Het opladen van het oppervlak kan een verhoogde mate van verontreiniging veroorzaken, wat resulteert in veranderingen in de eigenschappen van het oppervlak. Ruimtevaartuig oppervlak opladen kan vervuiling te verbeteren op twee manieren. Ten eerste worden geladen verontreinigingen aangetrokken tot tegengesteld geladen oppervlakken. Sommige verontreinigende stoffen die anders van het ruimteschip zouden wegdrijven, worden aangetrokken door de geladen oppervlakken en stoten bij hogere energieën waar chemische binding wordt versterkt. Ten tweede kan het materiaal dat tijdens een ontlading wordt uitgestoten, op andere oppervlakken worden afgezet.

verontreiniging op oppervlakken met speciale eigenschappen, zoals lenzen, kan de speciale eigenschappen vernietigen. Hogere temperaturen kunnen het gevolg zijn van veranderde optische eigenschappen van het oppervlak. Het laden kenmerken kunnen veranderen als gevolg van veranderingen in secundaire en foto-elektron opbrengsten. Afzetting van diëlektrische verontreinigingen kan ook oppervlaktegeleiding veranderen. Ten slotte kan het opladen van het oppervlak op ruimtevaartuigen de plasma-metingen van de ruimteomgeving beïnvloeden. De mate waarin deze effecten interfereren met de missie van het ruimtevaartuig varieert van ruimtevaartuig tot ruimtevaartuig en opladen episode tot opladen episode. Het was in het begin van de jaren 1970 dat ruimtevaartuigen begon te ervaren anomalieën, en in een geval mislukking, dat leek te zijn ruimtevaartuig-opladen gerelateerd. In het begin van de jaren zeventig werd voor het eerst computerlogica in elektronicasubsystemen geïntroduceerd. De meer gevoelige elektronica kan worden verstoord door transiënten die geen invloed hebben op de elektronica op eerdere ruimtevaartuigen. Naarmate elektronica gevoeliger wordt, worden voorzorgsmaatregelen belangrijker.

het proces van ladingsaccumulatie op ruimtevaartuigen wordt begrepen en er zijn technieken ontwikkeld om de bijbehorende problemen tot een minimum te beperken. NASA ontwikkelde de ontwerprichtlijnen voor het beoordelen en controleren van Laadeffecten van ruimtevaartuigen, die het begrip van het probleem op dat moment beschrijft en technieken voorstelt om problemen in verband met het opladen van ruimtevaartuigen te voorkomen. Computercodes zijn ontwikkeld om ontwerpers te helpen bij het ontwerp van ruimtevaartuigen met minimale oppervlakte-laadeffecten. De eerste verdedigingslinie tegen differentieel opladen is het minimaliseren van het oppervlak van oppervlakken die isolatoren of drijvende geleiders zijn. Dit lokaliseert het probleem en vermindert de hoeveelheid lading die snel kan worden ontladen. (Soms zijn de potentiële verschillen groter wanneer de gebieden kleiner zijn, maar de totale lading en de opgeslagen energie is kleiner.) Zorgvuldige aandacht voor het ontwerp van de delen van het ruimtevaartuig waar ontladingen worden verwacht vermindert het risico verder. Afscherming en filtering beschermen de circuits van het EMI als gevolg van eventuele resterende snelle ontlading. Voor sommige toepassingen is de vermindering van het opladen van het oppervlak, zowel differentieel als absoluut, noodzakelijk, hetzij door gebruik te maken van oppervlaktematerialen met een hoge secundaire elektronenemissie (passieve ladingsregeling), hetzij door gebruik te maken van een plasma-emitter (actieve ladingsregeling).

in de afgelopen 15 jaar is er bezorgdheid ontstaan over het laden op ruimtevaartuigen met een lage hoogte en een poolbaan als gevolg van het neerslaan van aurora. De 2-m DMSP ruimtevaartuig is waargenomen op te laden tot-1,2 kV, en een 10-m ruimtevaartuig kon laden tot − 10 kV. Poollading verschilt van geosynchrone opladen in die zin dat de laadstromen meestal veel hoger zijn, het voertuig zich slechts seconden in een laadomgeving bevindt en de laadsnelheid en het bereikte potentieel afhankelijk zijn van de grootte van het voertuig. Daarnaast kunnen twee-body-en wake-effecten belangrijk worden, en differentieel opladen tussen voertuigen zoals een shuttle en een astronaut tijdens EVA is van belang. De beoordeling van een ontwerp van een ruimtevaartuig met een lage hoogte en een poolbaan voor mogelijke laadgerelateerde problemen vereist de overweging van meer gecompliceerde interacties en het gebruik van verschillende computationele tools en omgevingen dan voor geosynchrone ruimtevaartuigen. Bovendien, lage hoogte polaire baan ruimtevaartuig nodig hebben om goed te werken, terwijl in de equatoriale regio ‘ s. Het werk van de vroege jaren 1980 gaf ruimtevaart ontwerpers gereedschap om het aantal en de ernst van oppervlakte-opladen-geassocieerde afwijkingen te verminderen, maar liet een aantal vragen onbeantwoord. Met de miniaturisatie van componenten zijn moderne ruimtevaartuigen kwetsbaarder voor EMI, dus strengere eisen zijn nodig.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.