sonda kosmiczna

8.4 efekty ładowania statków kosmicznych

Ładowanie powierzchniowe statków kosmicznych to nagromadzenie ładunku elektrycznego netto, a zatem potencjału elektrostatycznego na zewnętrznych powierzchniach statku kosmicznego z powodu cząstek padających o energiach w zakresie kilo-elektronowoltów do dziesiątek kilo-elektronowoltów. Geosynchroniczny statek kosmiczny ładuje się, gdy pojazd napotka obszar wzmocnionej plazmy związany z podwodną burzą magnetosferyczną. Te wzmocnione „chmury” plazmy mają typowe Energie cząstek od 1 do 50 keV. Duże, małe, orbitujące wokół biegunów statki kosmiczne ładują się, gdy przechodzą przez obszary aktywności zorzy polarnej. Mniejsze statki kosmiczne na niskich wysokościach, orbity polarne mogą ładować się z powodu interakcji wielu ciał, jeśli znajdują się w pobliżu większego statku kosmicznego podczas przechodzenia przez zorzę polarną.

niepokojące są dwa rodzaje ładowania statków kosmicznych. Ładowanie absolutne to rozwój potencjału ramki statku kosmicznego w stosunku do otaczającej plazmy kosmicznej. Ładowanie różnicowe to zmiana potencjału jednej części statku kosmicznego w stosunku do innej. Ładowanie różnicowe może wytwarzać silne lokalne pola elektryczne, które mogą powodować wyładowania.

Sonda na orbicie geosynchronicznej ładuje do kilkudziesięciu kilowoltów. Satelita SCATHA wykazał, że zróżnicowane Ładowanie powierzchniowe statków kosmicznych podczas burz jest związane z wyładowaniami i anomaliami operacyjnymi. W jednym przypadku na satelicie zmierzono różnice potencjałów przekraczające 9,5 kV . W tym samym czasie monitor transient pulse monitor wykrył 29 impulsów. Siedemnaście impulsów przekroczyło maksymalny poziom instrumentu 7,4 V. Zbiegły się z wyładowaniami trzy anomalie, w tym 2-minutowa utrata danych. Badanie 9 lat danych SCATHA pokazuje korelację między prądem cząstek o energiach w dziesiątkach kilowoltów, rozwojem powierzchniowych potencjałów różnicowych przekraczających 100 V i wyładowaniami elektrostatycznymi .

w regionie zorzy polarnej zaobserwowano kilka ciężkich przypadków ładowania. W 1983 roku instrumenty na pokładzie Defense Meteorological Satellite 7 (DMSP 7) zaobserwowały absolutny potencjał − 800 V. Od tego czasu kilka zdarzeń z wyższym potencjałem, do-1.2 kV, zostały zaobserwowane. Żadne anomalie nie były związane z żadnym z obserwowanych zdarzeń ładowania. Jednak teoria przewiduje, że większe statki kosmiczne przyszłości będą rozwijać jeszcze większe potencjały.

interakcje międzyludzkie mogą powodować lub zwiększać Ładowanie powierzchni, jeśli dwa izolowane elektrycznie statki kosmiczne, takie jak prom i astronauta podczas aktywności pozajelitowej (EVA), znajdują się blisko siebie w wysokoenergetycznej plazmie (keV). Ponieważ wiele statków kosmicznych było latanych tylko na niskich orbitach równikowych, gdzie wysokoenergetyczne cząstki nie występują w sposób naturalny, ładowanie z powodu oddziaływań wielobiegunowych nie zostało zaobserwowane.

jak pokazano na rysunku 8.6, Ładowanie powierzchniowe powoduje problemy dla działających statków kosmicznych. Ładowanie różnicowe może prowadzić do znacznych różnic potencjałów między sąsiednimi powierzchniami, a tym samym do wyładowań. Wyładowania są szybkie impulsy, zazwyczaj wielu amperów, dla nanosekund do mikrosekund. Podstawowym efektem jest występowanie elektronicznych anomalii przełączania, które mogą być wyzwalane przez wyładowania różnicowe związane z ładowaniem. Stany przejściowe wywołane rozładowaniem mogą powodować awarie systemu i potencjalnie uszkodzenia materialne. Bardziej powszechną anomalią jest phantom command, wymagający interwencji z ziemi, prawdopodobnie skutkujący utratą danych, co skraca żywotność statku kosmicznego.

rysunek 8.6. Efekty ładowania powierzchniowego statków kosmicznych obejmują EMI, degradację powierzchni i zanieczyszczenie z wyładowań, zakłócenie pomiarów cząstek i zwiększone przyciąganie zanieczyszczeń.

Ładowanie powierzchni może powodować zwiększone poziomy zanieczyszczeń, powodując zmiany właściwości powierzchni. Ładowanie powierzchni statków kosmicznych może zwiększyć zanieczyszczenie na dwa sposoby. Po pierwsze, naładowane zanieczyszczenia są przyciągane do przeciwstawnie naładowanych powierzchni. Niektóre zanieczyszczenia, które w przeciwnym razie oddalałyby się od statku kosmicznego, są przyciągane do naładowanych powierzchni i uderzane przy wyższych energiach, gdzie zwiększa się wiązanie chemiczne. Po drugie, materiał wydalony podczas wyładowania może być osadzony na innych powierzchniach.

zanieczyszczenie powierzchni o specjalnych właściwościach, takich jak soczewki, może zniszczyć specjalne właściwości. Wyższe temperatury mogą wynikać ze zmienionych właściwości optycznych powierzchni. Charakterystyka ładowania może ulec zmianie ze względu na zmiany wydajności wtórnej i fotoelektronowej. Osadzanie zanieczyszczeń dielektrycznych może również zmienić przewodność powierzchniową. Wreszcie, Ładowanie powierzchniowe na statku kosmicznym może zaburzać pomiary plazmowe środowiska kosmicznego. Zakres, w jakim efekty te zakłócają misję statku kosmicznego, różni się w zależności od statku kosmicznego i odcinka ładowania do odcinka ładowania. We wczesnych latach 70. XX wieku statki kosmiczne zaczęły doświadczać anomalii, a w jednym przypadku awarii, która wydawała się być związana z ładowaniem statków kosmicznych. Na początku lat 70. po raz pierwszy wprowadzono logikę komputerową w podsystemach elektroniki. Bardziej wrażliwa Elektronika może być zaburzona przez stany przejściowe, które nie miały wpływu na elektronikę we wcześniejszych statkach kosmicznych. W miarę jak elektronika staje się bardziej wrażliwa, środki ostrożności stają się ważniejsze.

proces akumulacji ładunków na powierzchniach statków kosmicznych jest zrozumiały, a techniki zostały opracowane, aby zminimalizować związane z tym problemy. NASA opracowała wytyczne projektowe dotyczące oceny i kontrolowania efektów ładowania statków kosmicznych, które opisują zrozumienie problemu w tym czasie i sugerują techniki unikania problemów związanych z ładowaniem powierzchniowym statków kosmicznych. Kody komputerowe zostały opracowane, aby pomóc projektantom w projektowaniu statków kosmicznych z minimalnymi efektami ładowania powierzchni. Pierwszą linią obrony przed obciążeniem różnicowym jest minimalizacja powierzchni, które są izolatorami lub przewodami pływającymi. To lokalizuje problem i zmniejsza ilość ładunku, który może być szybko rozładowany. (Czasami potencjalne różnice są większe, gdy obszary są mniejsze, ale całkowity ładunek i zgromadzona energia są mniejsze.) Uważna uwaga na konstrukcję części statku kosmicznego, w których spodziewane są wyładowania, zmniejsza ryzyko. Ekranowanie i filtrowanie chronią obwody przed EMI wynikającym z jakiegokolwiek pozostałego szybkiego rozładowania. W niektórych zastosowaniach konieczne jest zmniejszenie ładunku powierzchniowego, zarówno różnicowego, jak i bezwzględnego, albo poprzez zastosowanie materiałów powierzchniowych o wysokiej wtórnej emisji elektronów (Kontrola ładunku pasywnego) lub za pomocą emitera plazmowego (Kontrola ładunku aktywnego).

w ciągu ostatnich 15 lat pojawiły się obawy dotyczące ładowania na małych wysokościach, orbitujących na biegunach statków kosmicznych z powodu opadów Aurory. Zaobserwowano, że 2-metrowy statek kosmiczny DMSP ładuje się do-1,2 kV, a 10 − metrowy statek kosmiczny może ładować do-10 kV. Ładowanie zorzy polarnej różni się od ładowania geosynchronicznego tym, że prądy ładowania są zwykle znacznie wyższe, pojazd znajduje się w środowisku ładowania tylko przez kilka sekund, a szybkość ładowania i osiągnięty potencjał zależą od wielkości pojazdu. Ponadto, efekty dwóch ciał i obudzenia mogą stać się ważne, a problematyczne jest ładowanie różnicowe między pojazdami, takimi jak prom i astronauta podczas EVA. Ocena projektu sondy o małej wysokości na orbicie biegunowej pod kątem możliwych problemów związanych z ładowaniem wymaga uwzględnienia bardziej skomplikowanych interakcji i zastosowania innych narzędzi obliczeniowych i środowisk niż w przypadku sond geosynchronicznych. Ponadto, sondy polarne na niskich wysokościach muszą dobrze działać w regionach równikowych. Prace z początku lat 80. dostarczyły projektantom statków kosmicznych narzędzi do zmniejszenia liczby i nasilenia anomalii związanych z ładowaniem powierzchni, ale pozostawiły pewne pytania bez odpowiedzi. Wraz z miniaturyzacją komponentów, nowoczesne statki kosmiczne są bardziej podatne na EMI, więc potrzebne są bardziej rygorystyczne wymagania.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.