Математическое моделирование электризации космических аппаратов в магнитосферной плазме

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Описан программный комплекс Coulomb, предназначенный для моделирования электризации космических аппаратов (КА) в магнитосферной плазме на высоких и низких околоземных орбитах. Рассмотрены физические механизмы электризации КА и методы математического моделирования этого явления в разных областях космического пространства. Приведены примеры результатов расчета распределения электрического потенциала на поверхности и в окрестности КА для геостационарной орбиты и низких околоземных орбит.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Л. С. Новиков

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ им. М. В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: novikov@sinp.msu.ru
Россия, Москва

А. А. Маклецов

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ им. М. В. Ломоносова

Email: novikov@sinp.msu.ru
Россия, Москва

В. В. Синолиц

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ им. М. В. Ломоносова

Email: novikov@sinp.msu.ru
Россия, Москва

Н. П. Чирская

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ им. М. В. Ломоносова

Email: novikov@sinp.msu.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Альперт Я. Л., Гуревич А. В., Питаевский Л. П. Искусственные спутники в разреженной плазме. М.: Наука, 1964.
  2. Katz I., Parks D. E., Mandell M. J. et al. A three dimensional dynamic study of electrostatic charging in materials. NASA-CR-135256. National Technical Information Service, 1977.
  3. Roussel J.-F., Rogier F., Volpert D. et al. Spacecraft Plasma Interaction Software (SPIS): numerical solvers – methods and architecture // Proc. of 9th Spacecraft Charging Technology Conf. Tsukuba, Japan. 2005. Art. ID. JAXA-SP-05–001E.
  4. Hatta S., Muranaka T., Kim J. et al. Accomplishment of multi-utility spacecraft charging analysis tool (MUSCAT) and its future evolution // Acta Astronautica. 2009. V. 64. P. 495–500. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2008.07.023
  5. Программа расчета параметров электризации космического аппарата COULOMB: св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2015615756. М., 2015.
  6. Novikov L. S., Makletsov A. A., Sinolits V. V. Comparison of Coulomb-2, NASCAP-2K, MUSCAT and SPIS codes for geosynchronous spacecraft charging // Adv. Sp. Research. 2016. V. 57. Iss. 2. P. 671– 680. https://doi.org/10.1016/j.asr.2015.11.003
  7. Space environment (natural and artificial) – Plasma environments for generation of worst case electrical potential differences for spacecraft. ISO 19923:2017. International Organization for Standardization (ISO), 2017.
  8. Novikov L. S., Mileev V. N., Krupnikov K. K. et al. Simultaneous investigation of magnetospheric plasma and spacecraft charging // Advances in Space Research. 2008. V. 42. Iss. 7. P. 1307–1312. https://doi.org/10.1016/j.asr.2008.02.019
  9. Novikov L. S., Makletsov A. A., Sinolits V. V. et al. Charging of Geostationary Satellite Electro-L2 in the Earth Shadow // IEEE Transactions on Plasma Science. 2019. V. 47. Iss. 8. P. 3931–3936. https://doi.org/10.1109/TPS.2019.2917806
  10. Милеев В. Н., Новиков Л. С. Физико-математическая модель электризации ИСЗ на геостационарной и высокоэллиптических орбитах // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Вып. 86. М.: Наука, 1989. С. 64–98.
  11. Новиков Л. С., Бабкин Г. В., Морозов Е. П. и др. Комплексная методология определения параметров электростатической зарядки электрических полей и пробоев на космических аппаратах в условиях их радиационной электризации. М.: Изд. ЦНИИмаш, 1995. 160 с.
  12. Garrett H. B. The charging of spacecraft surfa-ces // Rev. Geophys. and Space Physics. 1981. V. 19. Iss 4. P. 577–616. https://doi.org/10.1029/RG019i004p00577
  13. Garret H. B. Review of quantitative models of the 0- to 100keV near Earth plasma // Rev. Geophys. and Space Physics. 1979. V. 17. Iss. 3. P. 397–417. https://doi.org/10.1029/RG017i003p00397
  14. Garret H. B., Schwank D. C., De Forest S. E. A statistical analysis of the low-energy geosynchronous plasma environment – I. Electrons // Planetary and Space Science. 1981. V. 29. Iss. 10. P. 1021–1044. https://doi.org/10.1016/0032-0633(81)90001-5
  15. Модель космоса. Т. 2. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов / под ред. Л. С. Новикова. М.: Изд-во «КДУ», 2007. Гл. 1.8. Электризация космических аппаратов в магнитосферной плазме. С. 236–275; Гл. 1.9. Математическое моделирование электризации космических аппаратов. С. 276–314.
  16. Katz I., Parks D. E. Space Shuttle Orbiter Charging // J. Spacecrafts and Rockets. 1983. V. 20. Iss. 1. P. 22–25. https://doi.org/10.2514/3.28352
  17. Cho M., Saito K., Hamanaga T. Data analysis of the polar plasma environment for spacecraft charging analysis // Acta Astronautica. 2012. V. 81. Iss. 1. P. 160–173. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2012.07.004
  18. Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В. Эмиссионная электроника. М.: Наука, 1966.
  19. Бронштейн И. М., Фрайман Б. С. Вторичная электронная эмиссия. М.: Наука, 1969.
  20. Sternglass E. J. Backscattering of kilovolt electrons from solids // Phys. Rev. 1954. V. 95. Iss. 2. P. 345– 358. https://doi.org/10.1103/PhysRev.95.345
  21. Whipple E. C. Potentials of surface in space // Rep. Prog. Phys. 1981. V. 44. Iss. 11. P. 1197–1250. https://doi.org/10.1088/0034-4885/44/11/002
  22. Евстафьева Е. Н., Рау Э. И., Милеев В. Н. и др. Анализ механизмов зарядки диэлектрических мишеней под воздействием электронного облучения // Перспективные материалы. 2010. № 4. С. 11–20.
  23. Novikov L. S., Makletsov A. A., Sinolits V. V. Analysis of Recollection and Transfer of Electrons Emitted from Charged Spacecraft Surface Using Coulomb-2 Code // IEEE Transactions on Plasma Science. 2017. V. 45. Iss. 8. P. 1919–1922. https://doi.org/10.1109/TPS.2017.2669103
  24. Adamec V., Calderwood J. H. Electrical conduction in dielectrics at high fields // J. Phys. D: Appl. Phys. 1975. V. 8. Iss. 5. P. 551–560. https://doi.org/10.1088/0022-3727/8/5/015
  25. Krupnikov K. K., Mileev V. N., Novikov L. S. A Mathematical Model of Spacecraft Charging (‘COULOMB’ Tool) // Rad. Measur. 1996. V. 26. Iss. 3. P. 513–516. https://doi.org/10.1016/1350-4487(96)00022-4
  26. Krupnikov K. K., Mileev V. N., Novikov L. S. et al. Measurement of hot magnetospheric plasma at geosynchronous orbit and charging effects // Proc. ESA Symp. Environment Modelling for Space-based Applications. ESTEC. Noordwijk, NL. Special Publ. 392. 1996. P. 191–196.
  27. Ribes A., Caremoli C. SALOME platform component model for numerical simulation // Proc. the 31st Annual International Computer Software and Applications Conference COMPSAC07. Washington. DC. USA. 2007. P. 553–564. https://doi.org/10.1109/COMPSAC.2007.185
  28. Moré J. J., Sorensen D. C., Hillstrom K. E. et al. The MINPACK Project // Sources and Development of Mathematical Software. New Jersey: Prentice-Hall, 1984. P. 88–111.
  29. Novikov L. S., Makletsov A. A., Sinolits V. V. Modeling of Spacecraft Charging Dynamics Using COULOMB-2 Code // IEEE Transactions on Plasma Science. 2017. V. 45. Iss. 8. P. 915–1918. https://doi.org/10.1109/TPS.2017.2720595
  30. Hindmarsh A. C. GEAR: Ordinary Differential Equation System Solver // Lawrence Livermore Laboratory Report UCID-30001. 1974. Rev. 3. P. 1–28.
  31. Ferguson D. C., Wimberly S. C. The Best GEO Daytime Spacecraft Charging Index // Proc. 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Grapevine, 2013. AIAA 2013–0810. P. 11–17. https://doi.org/10.2514/6.2013-810
  32. Matéo-Vélez J.-C., Pignal C., Balcon N. et al. GEO Spacecraft Worst-Case Charging Estimation by Numerical Simulation // Proc. 13th Spacecraft Charging Technology Conference. Pasadena. USA. 2014. Art.ID hal-01070320.
  33. Toyoda K., Ferguson D. C. Round-Robin Simulation for GEO Worst-Case Environment for Spacecraft Charging // Proc. 13th Spacecraft Charging Technology Conference. Pasadena, USA. 2014. Art. ID. 171.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Общая структура программного комплекса Coulomb.

Скачать (8KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Возможные траектории вторичных электронов вблизи поверхности КА: 1 — перенос на другие участки поверхности, 2 — возврат на исходный элемент.

Скачать (69KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Распределение потенциала на поверхности модели КА на ГСО для разных значений параметров окружающей плазмы.

Скачать (26KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость потенциала металлического корпуса КА от параметров воздействующих факторов в однокомпонентной горячей плазме: ■ — Coulomb, ♦ — NASCAP, ▲ — MUSCAT

Скачать (12KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Временные зависимости потенциала элементов конструкции геостационарного КА: 1 — освещенная сторона панели солнечной батареи; 2 — неосвещенная сторона панели; 3 — металлический корпус.

Скачать (10KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Изменение потенциала элементов конструкции вращающегося цилиндрического КА: сплошная линия — противоположные стороны непроводящей поверхности; пунктир —металлический корпус.

Скачать (14KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Электрическое поле в окрестности дифференциально заряженного КА на ГСО.

Скачать (45KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Детализация электрического поля в окрестности малых элементов конструкции.

Скачать (28KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Дифференциальное заряжение поверхности низкоорбитального КА при воздействии анизотропных факторов в полярной области.

Скачать (51KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024