X Международная научно-техническая конференция
"Информационные технологии в науке, технике и образовании"

Республика Абхазия, Пицунда. Сентябрь 2013 г.
Ю.В.Кубарев
Председатель Оргкомитета - вице-президент
Академии инженерных наук имени А.М.Прохорова,
д.ф.-м.н., проф. КУБАРЕВ Юрий Васильевич
На главную страницу Лаборатория Ю.В. Кубарева
Лаборатория
Ю.В. Кубарева
 
О конференции и её участниках
Оргкомитет и Секретариат
О председателе Оргкомитета
Секции
Тематика
Фотогалерея
Новости конференции
Органы власти и общественные организации о конференции
СМИ о конференции
Контакты
 
Яндекс.Метрика
К началу Научные труды Публикации Интервью

Магнитоплазмодинамический ускоритель, его применение в наземных и космических условиях

ЧАСТЬ 2. Применение МПДУ для разработки системы плазменной нейтрализации электростатических зарядов космических аппаратов

 

Ю.В. КУБАРЕВ, д.ф.-м.н., проф., лауреат Государст­венной премии СССР, Заслуженный деятель науки РФ, вице-президент АИН им. А.М. Прохорова

С.И. КОРШАКОВСКИЙ, доцент МИРЭА, к.т.н.

В.Н. ЧЕРНИК, старший научный сотрудник НИИЯФ МГУ, к.ф.-м.н., доцент

 

Введение

На протяжении нескольких десятилетий в космонавтике существует проблема увеличения сроков активной службы высокоорбитальных космических аппаратов (КА), подвергающихся воздействию окружающей среды, в частности электризации [1-18].

При взаимодействии поверхности КА с плазмой космического пространства на геостационарной орбите (ГСО) возникают эффекты накопления отрицательного заряда внутри материалов и на наружной поверхности и происходит их разрушение.

В зависимости от энергии электронов, бомбардирующих материал, различают два типа электризации: объемную и поверхностную. При достаточно высоких энергиях электронов или протонов (в единицы-десятки мегаэлектронвольт) наблюдается объемная электризация. В этом случае внедренный заряд локализуется на большой глубине (более 1 см) в объеме диэлектрика. При меньших энергиях электронов (менее 50 кэВ) заряд накапливается в приповерхностном слое толщиной ~1 мкм, и электризация носит поверхностный характер. Эффекты поверхностной электризации более вероятны и чаще наблюдаются во время эксплуатации КА, поскольку плотность потока электронов в низкоэнергетической части на несколько порядков выше, чем в МэВ-диапазоне.

Освещенные Солнцем и затененные участки высокоорбитальных космических аппаратов, состоящие из металлических, диэлектрических и полупроводниковых материалов, заряжаются до отрицательных потенциалов, равных ~ 5-20 кВ, а плотности токов электронов составляют 10-9-10-8 А/см2. Между отдельными участками КА образуется так называемая «дифференциальная разность потенциалов», при этом сам аппарат может также приобретать высокий потенциал относительно окружающей космической среды. Вследствие этого возникают электрические пробои, происходят сбои в работе и выход из строя аппаратуры, находящейся внутри космических аппаратов, вплоть до потери ориентации, ухода их с орбиты [3-5].

Актуальность проблемы борьбы с электризацией КА заключается в том, что на геостационарной орбите 10% времени они находятся в горячей космической плазме, заряжающей поверхность космических аппаратов на десятки киловольт и повреждая их. До 40-50 % отечественных и зарубежных спутников прекращают срок своей службы из-за вредного влияния на них статического электричества [5, 15-17].

В более крупных масштабах проблема нейтрализации электростатических зарядов возникнет при разработке и создании межпланетных пилотируемых комплексов, в которых, наряду с жидкостными ракетными двигателями, будут использоваться мощные ядерные и электрореактивные двигатели, ядерные и солнечные источники электроэнергии, имеющие большие поверхности [7].

Даже маломощные электрореактивные двигатели и источники заряженных частиц, например, ионов и электронов, во время своей работы оказывают влияние на потенциал космических аппаратов [6, 14-16].

Еще в 1966-1970 гг. при испытаниях плазменно-ионного двигателя, разработанного в ИАЭ им. И.В. Курчатова и ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, было показано в натурных экспериментах серии «Янтарь», что корпус ракет заряжался до потенциала + 500 В. Этот двигатель создавал потоки высокоскоростных ионов, заряд которых на выходе из него нейтрализовался электронами, испускаемыми катодом-нейтрализатором. В качестве нейтрализатора положительных статических зарядов применялся так называемый полый катод, позволяющий снизить потенциал ракеты до десятка Вольт [6]. Однако полый катод, предназначенный создавать в основном электронный поток, не может нейтрализовать заряды отрицательного знака на поверхностях КА, возникающие под действием окружающей среды; для этого требуется наличие источника положительных частиц.

При разработке и лабораторных исследованиях другого типа ускорителя, изобретенного и впервые испытанного в 1958-1959 гг. [7, 8, 19, 20], названного в литературе магнитоплазмодинамическим ускорителем (МПДУ), было установлено, что с его помощью можно создавать потоки как квазинейтральной плазмы, так и с избытком ионов или электронов [7, 8, 2326]. Это позволяет избавиться от применения на космических аппаратах источников ионов и электронов [6, 14-18]. Для проверки особенностей ускорителя, его работоспособности в натурных условиях была организована в 1977-1979 гг. серия экспериментов «Куст» и в 1985 г. - «Старт» [7, 9-12].

МПД ускорители мощностью 2-10 кВт, использующие воздух и аргон, работающие в стационарном, импульсном и высокочастотном режимах, испытывались на метеорологических ракетах МР-12 и МР-20 на высотах ~ 90-220 км в различных областях Земного шара: на крайнем Севере (Земля Франца - Иосифа, о. Хейса), в средней полосе (г. Капустин Яр), а также в районе Бразильской магнитной аномалии у берегов Южной Америки и Западной Африки [9-12]. Эти эксперименты позволили исследовать ряд вопросов по управлению режимами работы МПДУ, взаимодействию искусственных плазменных образований с корпусом ракеты, диагностической и измерительной аппаратурой, а также с ионосферой и магнитосферой Земли, выявить влияние искусственных плазменных образований на радиосвязь и т. д.

В экспериментах менялись режимы работы ускорителя, мощность, расход рабочего вещества, давление окружающей среды, геометрические размеры сопла ускорителя, что меняло во время полета величину и знак заряда струи и потенциала корпуса ракеты. Этого и следовало ожидать из результатов лабораторных исследований [24-26].

Эксперименты подтвердили возможность обволакивания КА разреженной плазмой, устраняющей «дифференциальную» разность потенциалов. До настоящего времени они являются первыми и, по-видимому, единственными в мире, позволившими изменять не только величину, но и знак потенциала КА от положительных до отрицательных значений путем управления режимами работы МПД ускорителя.

Кроме того, натурные эксперименты подтвердили основные положения научного открытия - нового фундаментального закона в физике плазмы, установленного в лабораторных условиях в 1962-1963 гг., и позволили обнаружить ряд других эффектов [7, 10, 11, 26].

Подробные результаты этих исследований будут изложены в следующих публикациях.

Магнитоплазмодинамический ускоритель представляет интерес не только для создания маломощных систем плазменной нейтрализации, но и для разработки мощного ЭРД - единичного модуля энергодвигательной установки для межпланетного полета [7].

В настоящее время МПДУ, способный потреблять мощности в сотни и тысячи кВт, представляется единственным типом двигателя, который можно рассматривать в качестве основы единичного маршевого ЭРД для пилотируемых полетов на Марс. В последние годы для этой цели он разрабатывается и в США [7].

Обзор и анализ литературных данных по различным ускорителям плазмы и источникам заряженных частиц, а также наши исследования показали, что маломощный МПДУ, потребляющий энергию менее 50-100 Вт, является наиболее эффективным источником плазмы для разработки и применения системы плазменной нейтрализации зарядов на КА по сравнению с другими имеющимися источниками плазмы [7, 27-29].

На протяжении многих лет подобные работы проводились также в США, Франции, Японии, Германии и Италии. В них вначале основное внимание уделялось проблеме электризации КА как к существенному фактору, нарушающему нормальное функционирование на орбите и сокращающему его срок службы.

Начиная с 1986-1987 гг. в ряде стран проводился большой комплекс исследований по нейтрализации зарядов, включая лабораторные и космические эксперименты с различного рода источниками заряженных частиц, путем инжекции электронов и ионных пучков в космос со спутников [14-18].

Так, например, в США, по программе ВВС Space Craft Charging at High Altitude (SCATHA), на геостационарном спутнике были экспериментально испытаны три метода активной нейтрализации с помощью термоэлектронного катода, электронной пушки мощностью

1-2 кэВ и источника импульсной ксеноновой плазмы низкой энергии. Показано, что наилучшие результаты дает использование плазменного источника [15-18].

В 1987 г. была опубликована работа, в которой приведена система плазменной нейтрализации КА - Flight Model Discharge System (FMDS). По программе ВВС был разработан летный вариант этой системы. Натурные испытания её намечались на 1991-1992 гг., однако, результаты испытаний нам не известны [18].

В настоящее время методы противодействия электризации принято разделять на пассивные и активные [3-5].

К основным пассивным методам относятся:

схемные методы защиты внутри КА электронных устройств от помех, индуцированных разрядами;

защита диэлектрических поверхностей проводящими покрытиями;

подбор диэлектриков с уменьшенным удельным электрическим сопротивлением и др.

Активные методы борьбы с электризацией заключаются, как уже отмечалось, в эмиссии заряженных частиц из источников, расположенных на КА, или в инжекции плазмы в окружающее пространство и обволакивании ею аппарата, как было показано в экспериментах серии «Куст» [9-11].

В СССР проблеме нейтрализации статических зарядов ранее уделялось большое внимание. В последнее время, после 15-летнего перерыва, интерес к ней вновь возобновился [1, 5].

Был накоплен определенный опыт, в той или иной степени исследованы основные направления, разрабатывались несколько вариантов источников плазмы для системы плазменной нейтрализации и устройств, обеспечивающих их работу.

В 1991 г. под руководством Ю.В. Кубарева на базе Московского института приборостроения и информатики, ныне Московский государственный университет приборостроения и информатики (МГУПИ), была создана кооперация из 10 организаций нескольких ведомств. Составлена и утверждена директивными органами программа работ по созданию и испытанию системы плазменной защиты высокоорбитальных космических аппаратов от вредного влияния электризации. Были выделены необходимые средства и объекты исследования. Однако в силу не зависящих от разработчиков обстоятельств финансирование работ было прекращено, и провести запланированные на 1993-1998 гг. исследования и натурные эксперименты до сих пор не удалось.

Несмотря на поддержку этих работ руководством Академии инженерных наук РФ, Российской Академии наук, Госстандарта, Роскосмоса и ряда академических, образовательных и промышленных организаций, финансирование их было совершенно недостаточным для проведения исследований и восстановления экспериментальной базы. И только в последние время при финансовой поддержке Роскосмоса эти работы удается частично возобновить.

В настоящей статье приводятся некоторые результаты дополнительных исследований взаимодействия плазменных образований, созданных МПДУ, с металлическими, диэлектрическими и полупроводниковыми материалами, начатых более 20-ти лет назад [8, 13].

 

"Наука и технологии в промышленности". №1, 2009

Чтобы прочитать всю статью с иллюстрациями, её надо скачать в формате PDF

Скачать статью полностью в формате PDF