Малая экспериментальная электродинамическая космическая тросовая система. Электрическая модель

Пироженко, АВ, Мищенко, АВ
Косм. наука технол. 2018, 24 ;(3):03-09
https://doi.org/10.15407/knit2018.03.003
Язык публикации: Русский
Аннотация: 
Интерес к экспериментальным исследованиям с электродинамическими космическими тросовыми системами (ЭДКТС) на низких околоземных орбитах (НОО) сохраняется уже в течение десятков лет. Этот интерес обусловлен перспективностью использования ЭДКТС для транспортных операций и для увода космического мусора. Снижение стоимости таких экспериментов связано с использованием малых тросовых систем.
Целью статьи является разработка электрической модели пассивной ЭДКТС, т.е. такой ЭДКТС, в которой не предусмотрены дополнительные контакторы с плазмой. Данная модель основывается на зондовой теории и равенстве электронного и ионного токов, собираемых системой в ионосферной плазме. Модель позволяет рассчитывать параметры экспериментальной ЭДКТС, обеспечивающие существование анодной и катодной частей системы для выбранной орбиты, а также прогнозировать напряжения и токи в частях системы
        Рассматривается ЭДКТС двух тел, соединенных токопроводящим тросом. В качестве троса рассматривается либо цилиндрическая нить, либо лента.
        Поток зарядов на трос рассчитывался по зондовой теории для цилиндров для орбитально ограниченного тока. Расчет тока на концевые тела ЭДКТС основывается на моделях для больших сферических зондов. Собирание тока ионов отрицательно заряженным телом является одним из наиболее трудных для моделирования процессов и наименее экспериментально проверенным. Для его расчета в докладе использовалась модель Альперта-Лема для тока, ограниченного слоем. Отметим, что поскольку коэффициенты этой теории были найдены эмпирически для электронного тока, то для ионного тока они могут быть иными и нуждаются в экспериментальной проверке.
         Основной особенностью взаимодействия рассматриваемой ЭДКТС с ионосферной плазмой является сравнительно короткая анодная ее часть. Расчеты показывают, что при произвольных длинах троса положительно заряженная часть не превосходит 2% всей длины.
          В отличие от ранее известной модели, предлагаемая модель позволяет более просто проводить расчеты и оценки эффектов взаимодействия системы с плазмой, а также учитывать ряд дополнительных факторов, которые могут вносить значительные поправки в работу системы.
Ключевые слова: система увода космических аппаратов, электрическая модель, электродинамическая космическая тросовая система
References: 
1. Boyd R. L. F. Langmuir probes on a spacecraft. Methods of plasma research. Moscow : Mir (1971) [in Russian].
2. Kozlov O. V. Electrical probe in plasma. Мoscow.: Atomizdat (1969) [in Russian].
3. Ahedo E., Sanmartin J. R. Analysis of Bare-Tether Systems for Deorbiting Low-Earth-Orbit Satellites. J. Spacecraft and Rockets. 39 (2). 198—205 (2002).
4. Chu C. K., Gross R. A. Alfven waves and induction ragon long cylindrical satellites. AIAA J(12). 2209—2214 (1966).
5. HTV-KITE Experiment. spaceflight101.com.  
6. Johnson L., Fujii H.A., Sanmartin J. R. Electrodynamic Propulsion System Tether Experiment (T-REX). NASA Technical Reports Server (NTRS).  20100024214. 30 p. (2010). URL:  https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20100024214.pdf
7. Miniature Tether Electrodynamics Experiment (MiTEE).  
8. Sanmartin J. R., Estes R. D. Cylindrical Langmuir probes beyond the orbital-motion-limited regime. J. Physics of Plasmas7 (10). 4320—4325 (2000).
9. Sanmartin J. R., Lorenzini E. C. Spherical Collectors Versus Bare Tethers for Drag, Thrust, and Power Generation.  AIAA 2005-4434 - 41st AIAA/ASME/SAE/. ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit 10 — 13 July 2005, Tucson, Arizona.  P. 1—7 (2005).
10. Sanmartin J. R., Lorenzini E. C., Martinez-Sanchez M. Electrodynamic tether applications and constraints. J. Spacecraft and Rockets47 (3). 142—156 (2010).
11. Tether Electrodynamic Propulsion CubeSat Experiment (TEPCE). URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Space_tether_missions#CubeSat_technology