RU2020776C1 - Method of spacecraft electrization control and device for its accomplishment - Google Patents
Method of spacecraft electrization control and device for its accomplishment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2020776C1 RU2020776C1 SU4870983A RU2020776C1 RU 2020776 C1 RU2020776 C1 RU 2020776C1 SU 4870983 A SU4870983 A SU 4870983A RU 2020776 C1 RU2020776 C1 RU 2020776C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ion
- plasma
- spacecraft
- electrification
- engines
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
- Elimination Of Static Electricity (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике нейтрализации наведенного электростатического заряда на элементах и фрагментах поверхности космических аппаратов (КА) научно-исследовательского и народно-хозяйственного назначения вследствие статической электризации при полете аппаратов на высоких (в частности, геостационарной и высокоэллиптических) орбитах, а также на более низких орбитах, пересекающих полярные области ионосферы Земли, и при испытании натурных КА, их моделей, фрагментов и элементов в моделирующих условия электризации вакуумных стендах на Земле. The invention relates to a technique for neutralizing the induced electrostatic charge on elements and surface fragments of spacecraft (SC) for research and economic purposes due to static electrification during the flight of vehicles in high (in particular, geostationary and highly elliptical) orbits, as well as in lower orbits crossing the polar regions of the Earth’s ionosphere, and when testing full-scale spacecraft, their models, fragments and elements in modeling the electrification conditions of vacuum walls dah on earth.
Электризация КА при его полете в верхних слоях атмосферы приводит к дифференциальной зарядке отдельных фрагментов аппарата отрицательным электростатическим зарядом до уровня потенциала в десяток киловольт, что может привести к пробою и электростатическому разряду (ЭСР) с последующим электромагнитным помеховым (ЭМП) поражением штатной и экспериментальной бортовой аппаратуры. Поэтому нейтрализация остаточных электростатических зарядов отдельных фрагментов путем регулирования электризации КА является актуальной проблемой современной космической техники. Electrification of a spacecraft during its flight in the upper atmosphere leads to the differential charging of individual fragments of the vehicle with a negative electrostatic charge to a potential level of tens of kilovolts, which can lead to breakdown and electrostatic discharge (ESD) with subsequent electromagnetic interference (EMF) damage to standard and experimental avionics . Therefore, the neutralization of the residual electrostatic charges of individual fragments by controlling the electrification of the spacecraft is an urgent problem of modern space technology.
Обзор зарубежного опыта в исследовании проблемы электризации КА дан в тематическом выпуске журнала "Аэрокосмическая техника", N 3; 1986, в котором в качестве перспективных средств рассматриваются электронные и ионные двигатели. A review of foreign experience in the study of the problem of spacecraft electrification is given in the thematic issue of the journal "Aerospace Engineering",
Электронные эмиттеры практически не влияют на динамику движения КА, однако они не позволяют существенно влиять на дифференциальную зарядку и снижать уровень электромагнитных помех из-за ограниченной возможности регулирования электризации КА. Electronic emitters practically do not affect the dynamics of the spacecraft, however, they do not significantly affect the differential charging and reduce the level of electromagnetic interference due to the limited ability to control the electrification of the spacecraft.
Более эффективно регулируют электризацию КА ионные двигатели, которые позволяют практически исключить опасные уровни дифференциальной зарядки и снизить ЭМП. Однако они существенно влияют на динамику аппарата. Ion engines, which can virtually eliminate dangerous levels of differential charging and reduce EMF, more effectively regulate the electrification of spacecraft. However, they significantly affect the dynamics of the device.
Техническое решение на основе использования ионно-плазменных потоков на выходе ионных двигателей для регулирования электризации КА наиболее близко по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению и является прототипом. The technical solution based on the use of ion-plasma flows at the output of ion engines to control the electrification of the spacecraft is closest in technical essence and the achieved result to the claimed invention and is a prototype.
Работа двигателей хотя и способствует снижению электризации, но из-за реактивного воздействия либо нарушает ориентацию аппарата, либо меняет его орбиту, что в огромном большинстве случаев недопустимо. The operation of engines, although it helps to reduce electrification, but due to reactive action either disrupts the orientation of the apparatus or changes its orbit, which in the vast majority of cases is unacceptable.
Целью изобретения является повышение эффективности регулирования электризации КА при одновременном снижении уровня динамических помех, обусловленных нарушением режима движения КА на орбите, и электромагнитных помех, вызываемых электростатическими разрядами в условиях электризации КА. The aim of the invention is to increase the efficiency of regulation of the electrification of the spacecraft while reducing the level of dynamic noise caused by the violation of the motion mode of the spacecraft in orbit, and electromagnetic interference caused by electrostatic discharges in the conditions of electrification of the spacecraft.
Для достижения цели в способе регулирования электризации КА, основанном на нейтрализации электростатического заряда поверхности аппарата с использованием ионно-плазменного потока, при нейтрализации одновременно генерируют два или более попарно-встречно или противоположно направленных потока с взаимной компенсацией их реактивного силового воздействия на аппарат. To achieve the goal, in the method of controlling the electrification of the spacecraft, based on the neutralization of the electrostatic charge of the surface of the apparatus using an ion-plasma flow, when neutralizing, two or more pairwise-counter or oppositely directed flows are simultaneously generated with mutual compensation of their reactive force on the apparatus.
Кроме того, ионно-плазменные потоки направляют на преграды, которые в процессе торможения потоков снижают их реактивное силовое воздействие на аппарат и одновременно эмиттируют вторичный поток электронов для дополнительной нейтрализации электростатического заряда поверхности аппарата. In addition, ion-plasma flows are directed to obstacles that, during the braking of flows, reduce their reactive force on the apparatus and at the same time emit a secondary stream of electrons to additionally neutralize the electrostatic charge on the surface of the apparatus.
Особенностью является также то, что ионно-плазменные потоки направляют на фрагменты поверхности аппарата, которые используют в качестве преград для торможения потоков и гашения их реактивного воздействия на аппарат. A feature is also the fact that ion-plasma flows are directed to fragments of the surface of the apparatus, which are used as barriers to inhibit flows and quench their reactive effects on the apparatus.
Для достижения цели в устройстве осуществления предлагаемого способа регулирования электризации КА, содержащем используемые для нейтрализации электростатического заряда поверхности аппарата ионно-плазменные двигатели, симметрично с ориентацией навстречу выходу каждого ионно-плазменного двигателя вдоль его оси симметрии установлен второй ионно-плазменный двигатель с эквивалентным механическим импульсом. To achieve the goal, in the device for the implementation of the proposed method for controlling the electrification of the spacecraft containing ion-plasma engines used to neutralize the electrostatic charge of the apparatus surface, a second ion-plasma engine with an equivalent mechanical impulse is installed symmetrically towards the output of each ion-plasma engine along its axis of symmetry.
Кроме того, в устройстве регулирования электризации КА симметрично с ориентацией навстречу выходу каждого ионно-плазменного двигателя вдоль его оси симметрии установлен потокоприемник, внутренняя поверхность которого покрыта веществом с коэффициентом вторичной эмиссии электронов (ионов) σ≥1 для реализуемого диапазона скоростей ионно-плазменного потока на выходе ионно-плазменного двигателя. Выход ионно-плазменного двигателя ориентирован в направлении центра масс аппарата нормально к его поверхности. In addition, in the spacecraft electrification control device, a flow receiver is installed symmetrically with the orientation toward the exit of each ion-plasma engine along its axis of symmetry, the inner surface of which is coated with a substance with a secondary emission coefficient of electrons (ions) σ≥1 for the realizable range of velocities of the ion-plasma flow at the output of the ion-plasma engine. The output of the ion-plasma engine is oriented toward the center of mass of the apparatus normally to its surface.
Сопоставительный анализ заявляемых решений и прототипа показывает, что заявляемые способ и устройство содержат отличительные признаки, которые свидетельствуют о соответствии заявленного технического решения как критерию "Новизна", так и критерию "Существенные отличия", так как эти признаки придают заявленным объектам новые свойства, отсутствующие в прототипе. При поиске дополнительных источников информации не были обнаружены аналоги, содержащие признаки, отличающие заявляемые решения от прототипа. Таким образом, заявляемые объекты соответствуют критерию изобретения "Существенные отличия". A comparative analysis of the claimed solutions and the prototype shows that the claimed method and device contain distinctive features that indicate compliance with the claimed technical solution as the criterion of "Novelty" and the criterion of "Significant differences", as these signs give the claimed objects new properties that are not present in prototype. When searching for additional sources of information were not found analogues containing signs that distinguish the claimed solutions from the prototype. Thus, the claimed objects meet the criteria of the invention "Significant differences".
Реализацию способа регулирования электрилизации КА иллюстрирует функциональная схема, представленная на чертеже. The implementation of the method of regulating the electrification of the spacecraft is illustrated by the functional diagram shown in the drawing.
На корпусе 1 аппарата с диэлектрическим покрытием 2 установлен ионно-плазменный двигатель 3 с выходом 4, ориентированным на выход 5 другого симметрично установленного на корпусе аппарата ионно-плазменного двигателя 6 с эквивалентным механическим импульсом. Согласно альтернативному варианту устройства выходы 4,5 двигателей направлены на симметрично размещенные вдоль их осей симметрии потокоприемники 7 и 8, поверхность которых покрыта веществом, эффективно эмитирующим электроны (ионы). Согласно третьему варианту устройства, выходы (аноды) 9 и 10 ионно-плазменных двигателей 11 и 12 ориентированы нормально к поверхности аппарата в направлении к его центру масс. Эти двигатели на чертеже изображены более подробно: указаны их катоды 13 и 14, рабочие камеры 15. Рабочий газ (например, ксенон) подается в эти двигатели через общий тракт 16, электропитание поступает к катодам через шины 17, а к анодам через шину 18 - соответственно от конденсаторов 19 и 20. Конденсаторы 21 и 22 блока 23 электропитания подключены к катодам ионно-плазменных двигателей 3 и 6 через автономные блоки 24 и 25, обеспечивающие автоматику и коммутацию рабочего газа в камеру двигателей 3 и 6 через регуляторы 26 и 27 расхода, а в рабочие камеры двигателей 11 и 12 - через импульсные натекатели 28 и 29, трубопроводы 30 и 31, подключенные к общему тракту 16 подачи рабочего газа. Автономные блоки 24 и 25, блок 23 электропитания и импульсные натекатели 28, 29 связаны с блоком 32 управления, который формирует сигналы управления в зависимости от показания датчиков 33 и 34. На чертеже показаны также искусственная внешняя собственная атмосфера (СВА) 35, которая формируется при работе двигателей, и поток электронов 36, который отрицательно заряжает диэлектрическое покрытие 2 корпуса КА. An ion-
При реализации способа регулирования электризацией КА устройство для его осуществления работает следующим образом. When implementing the method of controlling the electrification of the spacecraft, the device for its implementation works as follows.
При полете спутника на геостационарной орбите потоки электронов 36 из окружающей аппарат плазмы отрицательно заряжают диэлектрические покрытия 2 его корпуса 1, что приводит к различной (дифференциальной) зарядке участков поверхности аппарата и к различию их потенциалов относительно корпуса и друг друга, что фиксируется датчиками 33 и 34. В прототипе практически на орбите были опробированы различные способы (электронные эмиттеры, ионные двигатели) и было установлено, что эффективное регулирование электризации спутника осуществляют ионные двигатели. Из их размещения на спутнике ATS-5 очевидно, что включения ионных двигателей одновременно или в разные моменты времени будут нарушать режим движения аппарата. Поэтому в предлагаемом устройстве осуществления способа регулирования электризации КА по сигналам датчиков 33 и 34 одновременно генерируют два встречно направленных потока с взаимной компенсацией их реактивного силового воздействия на аппарат, что создает у нейтрализуемой поверхности 2 искусственную внешнюю собственную атмосферу (СВА), которая парирует воздействие электронных потоков 36 и препятствует возрасчтанию потенциалов на отдельных участках благодаря их разрядке через прилегающую к поверхности более плотную плазму. Практика эксплуатации КА на более низких орбитах ( ≈ 300 км) с более плотной окружающей аппарат плазмой (ne ≈ 106 см-3) свидетельствует об отсутствии опасной электризации и соответственно помехового воздействия ЭСР, например, на станции "Мир". Поэтому два встречных ионных потока не только снижают динамическое помеховое воздействие на аппарат, но способствуют снижению одновременно электромагнитных помех, обусловленных ЭСР.When the satellite is flying in geostationary orbit, the electron flows 36 from the plasma surrounding the spacecraft negatively charge the
В соответствии с вышеизложенным блок 32 управления на основании информации датчиков 33 и 34 вырабатывает сигналы управления для блока 23 электропитания, в котором начинают заряжаться конденсаторы 21 и 22, и на автономные блоки 24 и 25, обеспечивающие автоматику и коммутацию рабочего газа, в камеру двигателей 3 и 6 через регуляторы расхода 26 и 27. В результате на двигателях 3, 6 устанавливается идентичный режим, обеспечивающий равенство реактивных механических импульсов от ионно-плазменных потоков на выходах двигателей 4 и 5. По показаниям датчиков 33 и 34 отслеживается снижение уровня электризации в контролируемой зоне. При использовании датчиков поля типа зонд-заряд эти данные поступают в блок 32 управления непосредственно в виде потенциалов, что позволяет отслеживать дифференциальную зарядку и автоматически обеспечивать повторное включение двигателей 36 при приближении потенциалов к критическому уровню, при котором вероятность пробоя и электростатического разряда (ЭСР) с генерацией ЭМП близка к 1. In accordance with the foregoing, the
На чертеже для компактности совместно отражены и альтернативные варианты устройства. Так, согласно второму варианту устройства, ионно-плазменные потоки с выходов 4 и 5 двигателей 3 и 6 направлены на симметрично установленные потокоприемники 11 и 12, поверхность которых покрыта веществом с коэффициентом вторичной эмиссии электронов (ионов) σ≥ 1. Особенно целесообразно использование электронных эмиттеров, как это показывает практика их эксплуатации на аппаратах ATS-5 и ATS-6. Однако на этих спутниках в качестве электронных эмиттеров использовались накаливаемые проволоки с ограниченным ресурсом и большим энергопотреблением. При нанесении на металлическую подложку различных покрытий можно увеличивать токи вторичной эмиссии по отношению к падающему потоку в десятки и сотни раз, т. е. более эффективно в 10-100 раз регулировать электризацию аппарата, чем в аналогах. При наличии электростатического поля у поверхности аппарата вследствие электризации ионно-плазменные потоки становятся пусковым механизмом для самоподдерживающей эмиссии, а диэлектрические поверхности потокоприемников 7 и 8 могут практически безынерционно эмитировать вторичные электроны под воздействием ионно-плазменного потока, что качественно отличает предложенное устройство от аналогов. In the drawing, for compactness, alternative devices are also shown together. So, according to the second variant of the device, the ion-plasma flows from the outputs 4 and 5 of the
Согласно третьему варианту устройства, ионно-плазменные потоки с выходов 9 и 10 ионно-плазменных двигателей 11 и 12 направлены на диэлектрическую поверхность 2 нормально и ориентированы к центру масс аппарата. В результате работы этих двигателей механическое воздействие на режтим движения КА практически не оказывается, однако, как и в первом варианте устройства, вблизи поверхности аппарата 2 в зоне контроля датчиков 33 и 34 по их сигналам при воздействии электронного потока 36 создается СВА 35. Как показано на чертеже, этот процесс может происходить более оперативно в импульсном режиме. По показаниям датчиков 33 и 34 блок 32 управления выдает команду в блок 23 электропитания на зарядку конденсаторов 19 и 20 и в блоки 24 и 25 - на коммутацию рабочего газа через импульсные натекатели 28 и 29 и общий трубопровод 16 в рабочие камеры 15 импульсных плазменных двигателей 11 и 12. При этом момент запуска двигателей устанавливается по независимым каналам управления от блока 32 управленимя к импульсным натекателмя 28 и 29. В результате импульсной подачи порций газа в рабочие камеры 15 между анодами 9 и 10 и катодами 13 и 14 зажигается электрический разряд конденсаторов 19 и 20 на межэлектродный плазменный промежуток, в результате которого рабочий газ в ионизированном состоянии истекает с малой скоростью из рабочих камер 15 и растекается вдоль поверхности 2, снимая электростатический заряд и выравнивания потенциалы. При недостаточности первой порции газа для нейтрализации, что устанавливается по показаниям датчиков 33 и 34, автоматически осуществляются повторные напуски газа в рабочие камеры двигателей 11 и 12. При необходимости рабочий процесс ионизации можно реализовать только в одной камере, что иллюстрируется индивидуальным подключением через шины 17 и 18 конденсаторов 19 и 20 к электродам 9 и 13 (10 и 14) и возможностью их независимой зарядки в блоке 23 электропитания. According to a third embodiment of the device, the ion-plasma flows from the
На основании вышеизложенного технико-экономическое преимущество предложенного технического решения перед аналогами состоит в возможности более оперативно и эффективно решать задачу нейтрализации электростатического заряда диэлектрической поверхности аппарата в условиях существенного снижения механического и электромагнитного помехового воздействия на режим функционирования КА. Based on the foregoing, the technical and economic advantage of the proposed technical solution over analogues consists in the possibility of more quickly and efficiently solving the problem of neutralizing the electrostatic charge of the dielectric surface of the apparatus in conditions of a significant reduction in the mechanical and electromagnetic interference effect on the SC functioning mode.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4870983 RU2020776C1 (en) | 1990-09-06 | 1990-09-06 | Method of spacecraft electrization control and device for its accomplishment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4870983 RU2020776C1 (en) | 1990-09-06 | 1990-09-06 | Method of spacecraft electrization control and device for its accomplishment |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020776C1 true RU2020776C1 (en) | 1994-09-30 |
Family
ID=21538709
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4870983 RU2020776C1 (en) | 1990-09-06 | 1990-09-06 | Method of spacecraft electrization control and device for its accomplishment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2020776C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2771059C1 (en) * | 2021-11-10 | 2022-04-25 | Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» | Space vehicle electrication regulator |
-
1990
- 1990-09-06 RU SU4870983 patent/RU2020776C1/en active
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Аэрокосмическая техника, 1986, N 3, с.140-145. * |
Патент США N 3984730, кл. H 05F 3/04, 1976. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2771059C1 (en) * | 2021-11-10 | 2022-04-25 | Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» | Space vehicle electrication regulator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Hastings | A review of plasma interactions with spacecraft in low Earth orbit | |
US4419203A (en) | Apparatus and method for neutralizing ion beams | |
EP3369294B1 (en) | Plasma accelerator with modulated thrust and space born vehicle with the same | |
CN109538432B (en) | Spiral wave plasma propulsion device without neutralizer | |
EP0346458A1 (en) | Electrostatic ion thruster with improved thrust modulation. | |
Font et al. | Plasma discharge characteristics and experimentally determined boundary conditions for a plasma actuator | |
KR20100082780A (en) | Device for reducing the impact of positively charged ions on a surface section and ion accelerator arrangement | |
RU2020776C1 (en) | Method of spacecraft electrization control and device for its accomplishment | |
Linson | Charge neutralization as studied experimentally and theoretically | |
US4363774A (en) | Production and utilization of ion cluster acceleration | |
Damba et al. | Multiprobe characterization of plasma flows for space propulsion | |
JPH0752900A (en) | Method and device for extracting electron from space ship | |
JP2000311867A (en) | Method and device for beam measuring | |
Mahoney | Microcluster—surface interactions: a new method for surface cleaning | |
Stettner et al. | A surface discharge model for spacecraft dielectrics | |
US3572609A (en) | Static discharged from jet aircraft | |
Weddle et al. | Ion gun generated electromagnetic interference on the SCATHA satellite. | |
RU2784740C1 (en) | Spacecraft for cleaning near-earth space from space debris | |
Colandrea | Model to study the expansion of plasma contactor emitted by a magnetospheric spacecraft to mitigate charging effects. | |
JP7440021B2 (en) | Vacuum static eliminator | |
Miteva et al. | Excitation of electrostatic fluctuations by jets in a flaring plasma | |
RU2757210C1 (en) | Wave plasma source of electrons | |
Sasaki et al. | Rotating electrons discharge model for a spacecraft emitting a high power electron beam in space | |
Laframboise et al. | Current collection in a magnetoplasma | |
Crofton | Preliminary mass spectrometry of a xenon hollow cathode |