СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H05F3/04 

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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".

Реализацию способа регулирования электрилизации КА иллюстрирует функциональная схема, представленная на чертеже.

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.

При реализации способа регулирования электризацией КА устройство для его осуществления работает следующим образом.

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 (n_e ≈ 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.

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.

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.

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.

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.

Использование: изобретение относится к технике нейтрализации электростатических зарядов, возникающих на поверхности космического аппарата (КА) (спутников) и его фрагментов вследствие их статической электризации при полете аппарата на геостационарной и высокоэллиптических орбитах, а также на более низких орбитах, пересекающих полярные области ионосферы Земли, и при испытаниях корпусов КА и их фрагментов в моделирующих условиях вакуумных стендов на Земле. Электризация КА при полете в верхних слоях атмосферы приводит к дифференциальной зарядке отдельных фрагментов аппарата отрицательным электростатическим зарядом до уровня десятков киловольт, что вызывает последующий пробой, электростатический разряд (ЭСР) между ними. Электронные эмиттеры не позволяют эффективно регулировать электризацию КА. Целью изобретения является повышение эффективности регулирования электризации и снижение динамических и электромагнитных помех. Сущность изобретения: сущность предлагаемого способа заключается в формировании встречных ионно-плазменных потоков, торможении потоков на преградах с коэффициентом вторичной эмиссии электронов и/или ионов ≥ 1 в диапазоне скоростей ионно-плазменного потока, а также в направлении потока нормально к поверхности аппарата к его центру масс. Реализующее способ устройство содержит ионно-плазменные двигатели, ориентированные встречно или противоположно, или направленные на потокоприемники, поверхность которых активирована веществом с σ > 1 , или направленные на поверхность аппарата к его центру масс. Модификации способа и устройство описаны в дополнительных пунктах формулы изобретения. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ регулирования электризации космического аппарата путем нейтрализации электростатического заряда фрагментов поверхности аппарата ионно-плазменными потоками с формированием его искусственной собственной внешней атмосферы, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности регулирования при снижении уровня динамических и электромагнитных помех, фиксируют на поверхности аппарата уровни электризации, ионно-плазменные потоки создают в виде по крайней мере двух отдельных попарно встречно или противоположно направленных потоков с попарно взаимной компенсацией их силового воздействия на аппарат, а собственную внешнюю атмосферу аппарата формируют торможением этих потоков на нейтрализуемой поверхности. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью улучшения компенсации силового воздействия ионно-плазменных потоков при их неполной попарной компенсации, на пути нескомпенсированной части потока устанавливают преграды для его дополнительного торможения. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что по крайней мере часть потоков направляют на преграды с коэффициентом вторичной эмиссии более единицы. 4. Устройство регулирования электризации космического аппарата, содержащее датчики контроля уровня электризации фрагментов поверхности аппарата и нейтрализаторы в виде ионно-плазменных двигателей с системами электропитания, управления и подачи рабочего вещества в камеры двигателей, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности регулирования при снижении уровня динамических и электромагнитных помех, на нейтрализуемых фрагментах установлены по крайней мере два сопряженных датчика уровня электризации и одна пара ионно-плазменных двигателей с симметрично соосно ориентированными встречно или противоположно выходными соплами, при этом каналы подачи рабочего вещества в камеры двигателей и цепи электропитания и управления двигателей выполнены сопряженными, при этом последние соединены с общим блоком управления, выходы которого соединены с сопряженными датчиками контроля уровней нейтрализации фрагментов. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что выходные сопла ионно-плазменных двигателей ориентированы в направлении центра масс аппарата нормально к его поверхности.