автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Моделирование влияния элементов конструкции на процессы высоковольтной зарядки космического аппарата

• « СИБИРСКАЯ АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

О Л

На правах рукописи

ДВОРЯШИН ВЯЧЕСЛАВ МИХАЙЛОВИЧ

Моделирование влияния элементов конструкции на процессы высоковольтной зарядки космического аппарата

Специальность 05.07.02 — Проектирование п конструкция

летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 1994

Работа выполнена в Красноярском государственном университете

Научный руководитель — кандидат флзико-математических наук В.В. Данилов

Официальные оппоненты: доктор технических

наук A.A. Лепешев

кандидат физико-математических наук О.Г. Парфенов

Ведущая организация — Научно-производственное объединение "Прикладная механика"

Зашита состоится " 17 " февраля 1995 г. на заседании специализированного Совета ДР 063.47.01 по присуждению ученой степени доктора наук в Сибирской аэрокосмической академии (660014, Красноярск, пр. им. газеты "Красноярский рабочий", 31).

Отзывы на автореферат (в 2-х экземплярах), заверенные печатью, просим высылать по адресу: 660014, г. Красноярск, пр. им. газеты "Красноярский рабочий", д.31, ученому секретарю специализированного Совета В.А. Ильину.-

Автореферат разослал "_"_1994 г.

-ученый секретарь специализированного Совета доктор технических наук

В. А. ИЛЬИН

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Решение проблемы надежности и повышения ресурса космического аппарата (КА) тесно связано с осуществлением тщательного анализа влияния факторов космического пространства на его работоспособность. Электризация КА в плазме магнитосферы Земли наряду с радиационным воздействием является одним из наиболее опасных факторов для функционирования КА. Электроразрядные процессы, вызываемые высоковольтной зарядкой, индуцируют помехо-вые сигналы в бортовой радиоэлектронной аппаратуре (БРЭА) и оказывают негативное воздействие на материалы покрытий, изменяя их термооптпческле и электрофизические свойства.

Электризация является сложным и многофакторным явлением. Численный анализ на основе физико-математической модели позволяет не только определить количественные и качественные характеристики этого явления, но и. обнаружить новые закономерности и свойства, которые ранее не были известны. Применение для этих целей исключительно экспериментальных (натурных и лабораторных) методов требует больших материальных затрат и увеличивает сроки получения результата.

Компьютерное моделирование процессов высоковольтной зарядки позволяет прогнозировать распределение электростатических потенциалов, напряженности электрических полей, электрических разрядов на внешней конструкции КА.

Проводимый таким образом анализ электризации КА способствует принятию оптимальных решений по помехозащищенности БРЭА.

Выявление закономерностей влияния элементов внешней конструкции КА на процессы высоковольтной зарядки позволяет на этапе проектирования принимать конструктивные решения по снижению уровней перепадов потенциалов, и тем самым снизить негативное воздействие электризации на функционирование систем КА. Эти решения могут быть связаны с геометрией К А и СБ (солнечных батарей), топологией покрытия внешней поверхности разнородными диэлектрическими и проводящими материалами, выбором соответствующих диэлектрических материалов.

Для проектирования КА, защищенного от негативного воздействия процессов электризации, актуально создание программно-инструментального средства и методики анализа этих"процессов.

Метода исследования. Анализ процессов электризации и влияния элементов внешней конструкции на высоковольтную зарядку КА проводился посредством численных расчетов на ЭВМ. КА представлен в виде проводящего тела, покрытого тонким диэлектриком и находящегося в магнитосферной плазме.

Для'расчетов электростатических потенциалов и напряженностей электрических полей применен метод граничных интегральных уравнений с параметрическим описанием трехмерных граничных поверхностей.

При реализации алгоритмов и программ использовались методы вычислительной математики и программирования.

Достоверность полученных результатов подтверждается оценкой погрешностей и тестированием разработанных программ с работами других авторов (программа NASCAP - NASA Charging Analysing Program), сравнением .с аналитическими и расчетными решениями для тел простой геометрии, а также с данными лабораторного и натурного эксперимента.

Целью диссертационной работы являлось исследование влияния кон-трукционных материалов внешних покрытий,- геометрических особен-Ьстей и условий эксплуатации КА на высоковольтную зарядку на вы-т>ких орбитах.

Достижение данной цели состояло из следующих этапов.

1. Разработка и реализация программно-технических средств функционирования пакета ЭК0-М(электризация космических объектов) — интерфейсов ввода и вывода, средств графического отображения и анализа информации, позволяющих эффективно использовать программный комплекс на этапе проектирования КА.

2. Тестирование правильности расчета электрических полей и потенциалов. Сравнение численной модели зарядки на простых объектах с зарубежным аналогом, программой NASCAP и с данными лабораторного эксперимента. Проведение серии численных расчетов, выявляющих зависимость процесса электризации от свойств конструкционных материалов покрытий и других факторов.

3. Применение и внедрение программного комплекса ЭКО-М на этапе проектировании КА и наземной экспериментальной отработки (НЭ( в промышленности.

А

Научная новизна работы. Впервые в России по заданию НПО "Приданная механика" в КрасГУ с помощью численного моделирования етальио исследованы механизмы электризации реального КА в космп-еской плазме на высоких орбитах. Выявлен ряд новых закономерно-тей, связанных с влиянием электрофизических параметров материалов окрытий, геометрических особенностей на зарядку КА.

Детально проанализировано прохождение КА тенп Земли, процесс лектрпзацпп вращающегося КА и проведен расчет протекания раз-ядной активности на его внешней конструкции.

Результаты численного моделирования явления электризации выявилп рко выраженный нестационарный характер процессов зарядки вращающегося КА. '

Предложены новые рекомендации для снижения уровня электризо-;ип КА, заключающиеся в выборе материалов покрытий, геометрии, [еталлпзацпп. На защиту представляются.

1. Результаты моделирования высоковольтной электризации па примере КА "Горизонт" с учетом особенностей условий эксплуатации

(освещения Солнцем, прохождения тени Земли, вращения КА).

«

2. Анализ влияния конструкционных элементов и условии эксплуатации на высоковольтную зарядку п возможностей применения ЭКО-М в проектировании с целью снижения уровня электризации на КА.

3. Разработка и реализация алгоритмов и программно-технических средств функционирования программного комплекса ЭКО-М — интерфейсов ввода и вывода, средств графического отображения и анализа информации, позволяющих эффективно использовать программный комплекс на этапе проектирования КА.

Научное и практическое значение. Программный комплекс ЭКО-М юзволяет рассчитывать процессы электризации: распределение потен-шала на КА, напряженностей электрических полей, параметры и места гокализацпп электрических разрядов. ЭКО-М с хорошей точностью ' ишрокспмпрует конструкцию КА, имеет широкий спектр возможностей задания параметров окружающей плазмы с учетом их динамики го времени, что позволяет адекватно рассчитывать реальную картину электризации.

В результате серии численных расчетов выявлены закономерноегс влияния структуры и электрофизических свойств покрытий на про цессы электризации КА, которые демонстрируют возможности приме нения программного комплекса на стадии проектирования КА для сни ження эффекта электризации.

Численные расчеты с использованием ЭКО-М позволяют обоснован данные по уровням электризации КА и требования для наземной экс периментальной отработки.

На примере численного анализа электризации КА "Горизонт" разра ботана'методика использования программного комплекса ЭКО-М пр1 проектировании КА.

Реализация в промышленности. Программный комплекс ЭКО-М пс пользовался для численного анализа процесса электризации космпче скпх аппаратов "Горизонт", "Экран", "Глонасс", "Галс", "Гонец" пдр разработки НПО ПМ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работь докладывались на 1-ГУ Всесоюзных конференциях по электризации (Мо сква, 1984, Красноярск, 1986, Иркутск, 1988, Томск. 1990); Международной конференции "Проблемы взаимодействия КА с космической средой" (Новосибирск, 1992).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 8 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав и заключения, содержание которых изложено ш 103 страницах, содержит 9 таблиц, иллюстрирована 46 рисунками I графиками, имеет перечень используемой литературы, включающий 71 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обосновала актуальность темы. Изложены целы и задачи диссертационной работы. Отражены основные научные результаты, практическая ценность и реализация полученных результатов

Первая, глада содержит общие вопросы физики процессов зарядке КА в космической плазме. Рассматрены характеристики космической плазмы" и наблюдения электризации космических аппаратов. Описаны система электрических токов зарядки на высоких орбитах, электрофизическая конструкционная модель КА и характеристики материалов покрытий, определяющие величины токов зарядки.

В спокойных условиях магтггосферы на высоких орбитах потоки высокоэнергичных электронов малы и не вызывают высоких уровней электризации КА. Высоковольтная зарядка К А возникает в моменты маг--нитосферных возмущений (суббурь). Длительность суббури от 1 ч до 3 ч. В эти моменты области плазменного слоя, где проходят различные орбиты КА, заполняются горячей плазмой с высокой плотностью. В спокойных условиях энергия частиц плазмы 1 Ч-100 эВ при концентрации Юч-0.1 см-3, в период суббуръ энергии частиц достигают 1-г50 кэВ, плотности потоков электронов до 1011 электронДсм2 • с).

Суммируя различные данные и результаты, полученные в ходе натурных экспериментов по исследованию электризации КА, можно выделить следующие наиболее существенные факты.

1. Зафиксирована зарядка геостационарных КА до нескольких кило вольт (6 кВ — на спутнике АТБ-5).

2. Обнаружена зависимость величины потенциала зарядки от параметров плазменного окружения, в частности, от величины потоков электронов.

3. Наблюдалась разрядная активность, также коррелирующая с плазменным окружением.

4. Измерения характеристик плазмы показали, что потоки частиц изотропны и могут быть с хорошей точностью описаны двухтемйера-турной максвелловской функцией распределения с характерными параметрами:

Тх ~ 102 эВ, Т2 ~ 104 эВ, щ ~ п2 ~ 0.1 - 1 см-3. (1)

В известной теории электростатических зондов Ленгмюра, разработанной для диагностики плазмы, как правило, используется сферическая или цплпндрпческя симметрия, что не позволяет напрямую применить эту теорию для реального КА. С развитием вычислительной техники, численных методов и алгоритмов для решения задач математической физики стало возможным строить модели, получать решения п анализировать процессы зарядки в плазме для тел произвольной геометрии.

Тело, помещенное в плазму, заряжается до определенного равновесного (плавающего) потенциала, при этом на каждом элементе поверхности выполняется условие баланса токов:

Je = + ¿БЕЕ + ЗвЯЕ + Дк + + ¿¡г, (2)

где Je и Ji — электронный и ионный токи плазмы;

J see — ток вторичной электронной эмиссии;

Jbse — ток отраженных от поверхности электронов;

Jie — ток ионно-электронной эмиссии;

Jf„t — фото эмиссионный ток;

Ja — ток проводимости материала.

Все составляющие в уравнении зависят от величины потенциалов на поверхности КА.

Окружающая плазма на высоких орбитах аппроксимируется двух-максвелловской функцией распределения —

,, . ( т \3/2 ( mv2\ / т \3/2 / mv2\ .„.

Пь) = пАш\) еЧ-2щ)+п<^щ) ехр(-2щ) • (3)

Из зондовой теории известно:

Je = J to , Ji = Jio{ 1 + e'p/kTi), для у < 0, Je = J,o{ 1 + e(p/kTe), Ji = Jio , для p > 0,

где Jc, Ji — токи электронов и ионов; Jeo, Jia — токи электронов и ионов невозмущенной плазмы; Те, Ti — температура электронов и ионов плазмы.

Ток вторичной электронной эмиссии выражается интегралом

оо

JSEE = J 6(e) f(e) y/Osfmde , (4)

о

здесь Jsee — ток вторичной электронной эмиссии; / — функция распределения частиц соответствующей компоненты плазмы, падающих на поверхность; 6 — коэффициент вторичной электронной эмиссии, описываемый для различных механизмов формирования эмиссионных токов полуэмппрпческимп формулами.

Для металлов коэффициент вторичной' электрон-электронной эмиссии описывается формулой Стернгласа — \

I

Е г / F \ i=i,„_Etp[2_2(_) ], („

где 6т — максимум коэффициента вторичной эмиссии; Едт — энергия падающих электронов, при которой коэффициент вторичной эмиссии максимальный.

Для полимерных материалов

6(E) = 1.526<5mffn(Z), (б)

где

gn(Z) = (l - exp(~Zh725))/Z0-725, Z = 1.284 • E/Eom. (7)

Величина фототоков определяется свойствами материалов и составляет для типичных материалов покрытий К А величину Imf ~ Ю-8 А/см2 что на порядок превышает плотность тока электроноз из плазмы на высоких орбитах.

В 70-х годах было обращено внимание на формирование потеши -алъного барьера, запирающего выход фотоэлектронов на освещенной поверхности.

Данный механизм моделируется следующими соотношениями:

Г 0, £>0

Jf = I Jdcosд, E <0, Jj < Jmf, потенциал поверхности <p < 0, [ Jm/COSl9, E< 0, Jd> Jmj

(8)

, J Jmfe-^'e' cost?, E> 0 •

Jf = { T л _ _ потенциал поверхностп <p> 0,

J \ Jm/cosd, E<Q, r ir. •

(9)

здесь E — электрическое поле на поверхности; Jmf — максимальное значение фототока; £/ — энергия фотоэлектронов; ■д — утол падения излучения на поверхность;

Jd — ток в приближении виртуального катода, регулируемого пространственным зарядом,

гЗ/2

Jrf = 7.36 - Ю-2——; (10!

й)"

di — эффективная толщина "плоского диода" в метрах, Е в киловольтах, Jd — в А/м2.

Основной проблемой моделирования электризации является нахождение электрических полей п потенциалов на поверхности КА и в его окрестности.

Для высоких орбит выполняется г; г^ г„ где rj - радйус дебая; г5 - характерный размер К А; г/ - длина свободного пробёга электрона.

Это означает, что для решения задачи электростатической зарядки вкладом пространственного заряда можно пренебречь и считать распределение потенциала зависящим только от плотности заряда на поверхности КА и удовлетворяющим в окрестности уравнению Лапласа.

Во второй главе рассмотрены вопросы разработки программного комплекса численного моделирования электризации КА, описаны алгоритмы и структура программного комплекса ЭКО-М.

В общем виде задача электризации сводится к определению распределения потенциала, напряженности электрического поля, электрических разрядов на космическом аппарате в зависимости от времени.

В условиях высоких орбит электростатический потенциал <р удовлетворяет уравнению Лапласа — . •

Др = 0,

электрическое поле Е = — V Ч3-Используются граничные условия Дирихле

<Р

= Ро{г)

и краевое условие Неймана

д<р дп

= Д г),'

(И)

(12)

(13)

где п — единичная нормаль к границе расчетной области Г. Приведенные типы краевых условий соответствуют непрерывным решениям ¡р. Разрывные решения могут возникать на тонких диэлектрических поверхностях, например, на солнечных батареях КА. В этом случае используются следующие комбинации граничных условий:

д(р

Иг.-««".

ду дп

(14)

(15)

KA представляется в впде проводящего тела, покрытого тонким диэлектриком толщиной D(s), s — координата поверхности. В приближении плоского конденсатора электрическое поле в диэлектрике определяется поверхностным зарядом, Е = 4,-лсг/е, о — плотность поверхностного заряда, £ — диэлектрическая проницаемость.

В этом случае уравнение изменения потенциала, формируемого электротоками, имеет следующий вид:

где ip(s, t) — потенциал поверхности в точке s; <p(t) — потенциал центрального тела; J(s,t) — плотность тока в точке s, включающие асе виды токоз из уравнения (2). В общем случае ток является пелгнсй-ной функцией, зависящей от потенциалов, полей, свойств материалов покрытий и условий окружающей плазмы.

Из уравнения (17) можно получить следующую разностную схему:

Д0(*) = ^Ъ;.(в)Д« , ti+1 = t¡ + At,

£{S)

■ V¿+i(s) = i¡>i(s) + Ar¡>(s) , Ji(«) = J (&(*)> ВД) ,

где ip = ó(s) — ф — разность потенциалов между поверхностью диэлектрика и корпусом К А.

Значения фц.\ (s) определены как граничные условия краевой задачи, из решения которой находятся соответствующие плотности простого и двойного слоя а затем электрическое поле E^(s).

Получив решение краевой задачи fi0(s) п E0(s) с граничным условием ф\8 = 1, можно вычислить потенциал корпуса Ф из условия квазистацп-онарностп процесса электризации:

J j(il>i+i(s) + фц.1, + <pi+1E0(s)) = 0. (18)

Таким образом, вычисляются потенциалы и поля ва очередном временном шаге:

0¿+i(s) = i¿>(s)+ <?,•+1, .

Ei+l(s) = E^{s) + ф{иЕ0{з).

В ходе реализации алгоритмов были использованы различные вычислительные методы. Для решения систем линейных уравнений применялся модифицированный метод последовательных исключений. Нахождение корней трансцендентных уравнений производилось с помощью метода 2ЕГЮ1М. Численное интегрирование ■ осуществлялось с помощью Гауссовых квадратур.

Из теории потенциала известно представление потенциалов и электрических полей в виде интегралов от поверхностной плотности зарядов и диполей 1>{С}). Данное представление дает метод интегральных уравнений решения краевой задачи, имеющих следующий вид:

гв\ У Ж?) , [ У{0)-со*{пд,гро) ^

= лжт 0+1—жт—№

где Р — точка поверхности Г; Я{Р, Я) — расстояние между точками Р и д.

Описание границы, являющейся поверхностью КА, представляется набором кусочно-гладких поверхностей Г<, задаваемых параметрически в виде

х = х^т,ц), у = у{(т,т]),г = г{(т,т]), i=l,^^^,m, (20)

где т — чпсло параметрических поверхностей. На каждой поверхности задается криволинейная параметрическая сетка п определяется аппроксимация неизвестных функций ¡1 п V в виде билинейного сплайна.

В итоге система интегральных уравнении сведется к системе алгебраических уравнений:

АхХ = Г, (21)

Здесь вектор неизвестных X содержит компоненты и г/,;; Р — значения правых частей интегральных уравнений в узлах граничных кол-локаций; А — квадратная матрица с элементами

а" = Т1-У2[ ФтСк1 \J\drdT], (22)

где /г, — шаг дискретизации соответствующей параметрической поверхности; трт — коэффициенты, определяемые видом аппроксимации функций ¡1^ и йц — ядро соответствующего интегрального уравнения; 7 — якобиан преобразования параметрических координат.

Решая численно систему линейных уравнений (21), получают плотности зарядов, после чего вычисляют распределения потенциалов и электрических полей.

В программном комплексе ЭКО-М выделены следующие основные структурные элементы:

файловая система ввода исходных данных описания свойств объекта в виде текстовой информации с элементами входного языка;

программы для обработки геометрической информации;

программа расчета процесса зарядки с оперативным контролем на дисплее основных характеристик;

система хранения выходных данных в бинарном виде;

программы для вторичной обработки геометрической и выходной информации основной программы и система хранения файловых данных для визуализации и анализа результатов;

средства визуализации результатов и документирования графически данных.

Программный комплекс ЭКО-М обеспечивает весь процесс решения задачи электризации КА от задания исходных данных до получения результатов в виде цветных трехмерных изображений объекта и графиков. Укрупненная схема приведена на рис. 1, где показано взаимодействие программ и файлов данных.

Первоначально все исходные данные задают во входном файле

В файле описывают геометрическую информацию для конкретного

КА:

число поверхностей, из которых формируют трехмерную модель КА;

начальные и конечные значения параметров поверхностей, число интервалов дискретизации параметров поверхностей для аппроксимации численных решений;

направление нормалей на поверхностях;

задание конкретных типов параметрических поверхностей, из которых формируется фигура КА.

Такой способ описания позволяет создавать практически любую геометрию КА. Ограничения могут накладываться только вычислительным ресурсом компьютерной техники.

Входной

файл

*.Ш>

1 Расчет зарядки КА 1

; Файлы ( *.орс,

'Ч-1

2 Расчет трехмерной графической информации

выходные файлы

типа *.Ып ■V_

Подготовка 3 донных двухмерной графики

Фаллы *.сЫ;

(. Файлы [изображений *.рсх

4 Форми-

рование

трехмерных

изображений

Л

5 Отрисовка двухмерных графиков

Файлы изображений *.рсх

Рис. 1. Укрупненная схема программного комплекса ЭКО-М

В отдельном блоке входного файла описывают свойства материалов покрытий КА:

толщина материала;

диэлектрическая постоянная;

выход фотоэлектронов;

проводимость материалов;

пороговые значения электрического пробоя;

максимальное значение коэффициента вторичной электрон-электронной эмиссии;

энергия электронов, соответствующая максимуму эмиссии;

коэффициент вторичной ион-элсктронной эмиссии.

Определяют тпп материала покрытия для каждой поверхности или ее частей. Описываются внешние факторы, определяющие зарядку КА:

температура электронов и ионов плазмы и их концентрации;

ориентация аппарата на орбите, время расчета зарядки;

характеристики вращения КА;

вход и выход из тени Земли КА;

температурные зависимости характеристик материалов; имена файлов и характер выводной информации.

В последнем разделе входного файла описывают информацию для графической обработки данных. Укалывают направления просмотра объекта, подробность отрпсовкп, число цветных изолиний, моменты времени, отображаемые на графическом рисунке.

На схеме, изображенной на рис. 1, выделено 5 программных едийпц. 1, 2, 3 — реализованы на языке программирования "Фортран", 4, 5 — на языке "СИ", в операционной системе "MS-DOS" на компьютере IBM PC AT 386/387, с объемом оперативной памяти 8 Мб.

Время -просчета одной задачи для 500 узлов расчетной сетки порядка нескольких часов и пропорционально ~ N2, где N — число узлов расчетной сетки поверхности объекта.

Временной шаг зависит от задаваемой точности расчета, характерное временное разрешение 0.2 4- 0.01 с.

Наиболее близко к программному комплексу ЭКО-М стоит программа • NASCAP, остающаяся единственной до настоящего времени, сравнимой по своим расчетным и функциональным возможностям с ЭКО-М. Программа КУЛОН (Н1ШЯФ МГУ) ориентирована в основном на расчет полей в окрестности КА, с целью калибровки научной измерительной аппаратуры.

Был пропеден детальный сравнительной анализ двух программ, ЭКО-М и NASCAP, совместно с группой специалистов ESA Г.Дролсхагеиом и П. Пита Лейром, на тестовых расчетах зарядки простых объектов. Результаты сравнения свидетельствуют о значительных преимуществах ЭКО-М. Отличие этих двух программ заключается в следующем.

1. В N-A.SCАР ооъокх формируется в жестко заданной кубической про-странстаея^оп сетке с фиксированные? числом узлов 17x17x33. В ЭКО-М моделирование геометрии объекта производится заданием набора параметрических поверхностей, -любой геометрии, максимально близкой хс реальному К А. Такой способ допускает формпро-вание более сложной геометрии с различной степенью детализации отдельпых участков. В отличие от Ь'АБСАР, где допускается фиксированный угол поворота одного элемента относительно другого, в ЭКО-М таких ограничений нет.

2. В КАБСАР для расчета электрических полей п потенциалов применен метод конечных разностей, в ЭКО-М — метод граничных интегральных уравнений. Решение ищется не в трехмерном пространстве, а на двухмерной параметрической поверхности, что позволяет задавать более высокую детализацию элементов конструкции КА по сравнению с NASCAP при одинаковых условиях на объем оперативной памяти компьютера.

3. В КАЭСАР применение метода конечных разностей обусловливает задание краевых условий по потенциалу на замкнутой граничной поверхности в ограниченном пространстве. Постановка же задачи расчета потенциалов и полей на КА включает краевое условие нулевого потенциала на бесконечной границе. Интегральные методы решения учитывают, данное условие своей математической формулировкой. В результате ЭКО-М более адекватно реальности отображает распределение потенциалов и полей на КА.

4. В ЭКО-М реализован автоматический выбор шага по времени, в отличие от КАБСАР, что упрощает работу с программой п повышает точность расчетов. Сравнительные расчеты показали большую точность и динамическое разрешение ЭКО-М при быстро мей

няюшихся условиях зарядки. т

Третья глава содержит результаты моделирования высоковольтной зарядки КА "Горизонт" и постановку методики численного анализа электризации КА в условиях космического пространства на геостационарной орбите.

. Процесс электризации характеризуется следующими параметрами:

потенциалом корпуса КА относительно окружающего пространства;

разностью потенциалов между отдельными частями КА;

изменением потенциала корпуса и разности потенциалов во времени;

распределение потенциала и напряженности электрического поля по поверхности КА;

областями локализации электрических разрядов (пробоев) на поверхности КА;

помеховой обстановкой на КА во время протекания электрических разрядов (частота разрядов, распределение средней мощности, электромагнитных помех на КА и т.д.).

Задачей анализа электризации КА является определение экстремальных параметров электризации в зависимости от условий внешней среды п конструкции КА:

определение зависимости уровня зарядки от температуры горячей компоненты плазмы;

влияние холодной компоненты плазмы на уровень зарядки; варьирование характеристик материалов; влияние толщины диэлектрических покрытий; варьирование геометрии солнечных батарей; расчет зарядки при входе в тень и выходе из тени Земли КА; вращение КА; '

варьирование порогов электрических разрядов.

На рис. 2 показана аппроксимация геометрии КА "Горпзопт". Основные элементы конструкции — термоконтейнер, аптенпый блок, радиатор и солнечные батареи. Термоконтейнер и тыльная сторона антенного блока покрыты экранио-вакуумЕой тепловой изоляцией, освещен-

вал сторона СБ п радиатор — КБарлссим стеклом К-208, теневая поверхность солнечных батарей и излучающая поверхность антенны покрыта эмалью АК-512.

Рис. 2. ^Равновесное распределение потенциала типичного расчета зарядки КА, полностью покрытого диэлектрикам. Номерами показаны узлы аппроксимации поверхности, для которых приводятся графики временного хода зарядки

В момент возникновения магнитосферной суббури горячая компонента окружающей плазмы имеет плотность 1 см-3 и температуру Те > 1 КэВ. Холодная компонента — плотность 0.1 см-3 и температуру Те ~ 100 эВ.

На рис. 2 показано распределение потенциала через 15 мин с начала магнитосферной суббури в отсутствие холодной компоненты. Освещение Солнцем со стороны плоскости антенны под углом 17" к осп термоконтейнера, что соответствует расположению в полночно-утреннем секторе геостационарной орбиты.

На рис. 3 приведены графики изменения потенциала со временем в соответствующих точках поверхности КА. Максимальный перепад потенциала на освещенных поверхностях составляет: а) — на антенне +4.6 кВ, Ь) — на радиаторе +2.2 кВ, с) — на термоконтейнере +1.9 кВ, с1) на СБ +1.5 кВ. На затененных участках поверхности КА в данной конфигурации формируются небольшие перепады потенциала — -0.8 кВ.

а) Ь)

3 ]------- ? Х-Ив(И»уС [ е [ > !корпус 1

1 ♦-» | „ лм 1-3»

-»ее» Л 1 { Я !

¡Л : 1 — 1

I

2 -1МИ ! 1 I |

1 | | * | |

« ! V 5 | !

ь г 1

-гжев 1

в.в Зев.9 004 в »Я 4 Врет« ( с ) в.* ¡Л • ЬС9 в ЯП« дт*спч ( с )

о) а)

в < * - корпис ; » !х-корпус ]

^ -авв | —м 1 а -«« ♦-ЭОТ

II I• ! «-499 1

\ I :

V ■ ;

* АМвв \ 1 ; \

\ \

! 1

ц

в. о лл.а ыл я эса в Прсня ( с ) е.в зея.в ива зее.в Время ( с )

Рпс. 3. Изменение потенциала зарядки в соответствующих точках КА. Полное диэлектрическое покрытие. Интегральный коэффициент вторичной эмиссии а = 0.5

Ход зарядки п установившееся распределение потенциала в приведенном расчете наиболее тшппзы для геоспнхропиой орбиты.

Расчеты показали, что до определенной температуры горячей плазмы 2кэВ) высоковольтной зарядки КА не происходит. Наличие холодной плазмы с небольшой плотностью ~ 0.1 част/см3 приводит к уменьшению потенциалов зарядки в два раза п к сокращению времени достижения равнсшесного состояния в 4 раза.

Проведены численные расчеты с различными коэффициентами вторичной эмиссии материалов покрытий на теневой стороне СБ и поверхности радиатора, а = 0.5, о; = 0.9.

Наличие материалов покрытий с большими коэффициентами вторпч-ной эмиссии приводит к уменьшению величины общего потенциала КА. При переходе от а — 0.5 к а = 0.9 он уменьшился на 6.6 кВ. Более важным с точки зренпя формирования электрических разрядов представляется изменение дифференциального потенциала. На освещенной стороне разность потенциалов снизилась с 4.6 кВ до 2-1 кВ, но иа теневой — значительно увеличилась, с 0.4 кВ до 3.2 кВ.

В коЧ2С1ье с открытыми металаичесишз поверхностями

КА проводес р^ч¿-г случая, когда зеркало антеплы п основанпе цилиндрического радиатора Проводящие. Обнаружен факт немонотонного изменения потенциала со времепем.

В некотором интервале времени (рис. 4) происходит относительная стабилизация потенциалов поверхности и медленный рост потенциала корпуса. .Затем потенциалы поверхности начинают нарастать с последующим достижением нового равновесного состояния. Такая динамика зарядки связана с тем, что металлические поверхности, находясь под отрицательным потенциалом корпуса, остаются открытыми для фотоэмпсспонного тока значительно дольше, чем диэлектрические поверхности, которые преимущественно находятся в условиях запирания фототока потенциальным барьером.

Проводящее покрытие зеркала антенны и основания радиатора

Проведены расчеты для эмалевых покрытий 0.5 мм и 0.1 мм. Время зарядки с уменьшением толщины покрытия возросло примерно в два раза. Заметна также тенденция к снижению перепадов потенциалов между поверхностью с тонкими покрытиями и корпусом КА. На тех же поверхностях, где толщина покрытия не изменилась, разность потенци-

алов возросла, то есть прп изменении топологии толщин диэлектриков меняется распределение потенциала на КА.

Обычно максимальные перепады потенциалов возникают прп достижении равновесного состояния зарядки, однако проведенные расчеты показывают, что различие в толщине диэлектрических покрытий может приводить в процессе зарядки к формированию разностей потенциалов, в 2 п более раз превышающих равновесные.

Рассмотрение влияния на процесс зарядки КА "Горизонт" формы солнечных батарей показало, что формирование более высоких разностей потенциалов происходит в случае СБ с вытянутой геометрией (большего отношения периметра к площади). Это связано с менее эффективным подавлением фогоэмисспонного тока потенциальным барьером.

Прохождение КА через тень Земли характеризуется резкпм скачком потенциала в область положительных! значений прп выходе пз тенп Земли ц разными значениями равновесных потенциалов — до вхождения в тень и после выхода из тенп (рис. 5). Перепады потенциалов после прохождения тенп возрастают, что может вызвать усплеппе разрядной актпвностп. Существование двух равновесных состояний позволяет сделать вывод о зависимости процесса зарядки и установившегося распределения потенциала от предшествующих особенностей указанного процесса.

На вращающемся объекте происходит непрерывное изменение геометрии освещения Солнцем, что приводит к ярко выраженным нелпнейно-стям хода процесса зарядки (рис. 6). Такая ситуация может возникнуть при изменении ориентации КА. Как п других случаях, вращение приводит к увеличению перепадов, потенциалов на КА.

Результаты моделирования зарядкц с "включением" электрических разрядов показывают их локализацию на краевых участках СБ п затененной части КА. Сравпенпе с идентичным расчетом без разрядов показывает нарастание разпостей потенциалов на участках поверхности, где они не превышают порогового значения пробоя. В конкретном расчете пороги разрядоз 2 кВ. На графиках рис. 7 видно резкое сме-щенпе потенциалов зарядки, вызванное разрядами. Средняя частота пробоев составила 1 разр/с. На рпс. 8 дан график зависимости от времени числа разрядов, протекающих в интервале 10 с. В хода процесса интепспвность разрядной активности меняется очень спльно п носит нерегулярный характер.

-'-г Г— 1.1 »«1 : | »-«4«

,1«. ! ! 1 1

ют -

1 '-н—^ —1------*

» |М» »1» М

Вреня ( с )

Л)

1 п ••корпус I I ;

«•307 1 1

1 ; 9 9 ;

1 !

! 1 » I

I ) 1

-|«МС **т 14» ! !

! 1 1

; |

L ... _ -ПГГГг^гА-1 ___1___1

Врсяя

ша ми мм пш < с )

■ Ш> II» 1СЮ «л нх ьси исо

Врсня < с )

Рис. 5. Изменение потенциала зарядки КА при прохождении тени Земли. Начало зарядки в 23 ч 10 мин местного времени

Время С с )

Время С с )

' " 1990

1М* • -19ве - - ^ I иларпус | I !

1

1--ТС—-1 -¡4—

-ее» •мм Г ■ -Нр-----г

Рреия < с )

Рис. 6. Изменение потенциала зарядки вращающегося КА. Один оборот за 15 мин

аа

«

а)

« ; | | | »-«о*«*« |

! ! ! 1 -и* !

1 1 1 1 ! 1

¡1)111!

! \ 1

IV" | Г 1 1 ;

• з*

Врете

С с )

• И» ИЛ ЭС* и«*

Рреяя ( с )

13»

¡М

Рпс. 7. Ход потенциала зарядки КА с протеканием разрядов. Пробойное напряжение между поверхностью диэлектрика и корпусом 2 кВ

Рпс. 8. Интенсивность разрядов па КА с течением времени

В четвертой глад, проанализированы влияние внешних конструкционных элементов и условий эксплуатации на высоковольтную зарядку, возможности применения ЭКО-М в проектировании для снижения воздействия фактора, электризации па КА.

В ходе численного анализа обнаружена сильная зависимость уровня зарядки и распределения потенциалов ца КА от электрофизических характеристик материалов покрытий. Использование материалов с необходимыми свойствами может позволить снизить разности потенциалов и напряженности электрических полей до минимального уровня.

В процессе исследования механизмов электризации КА обнаружен ряд особенностей и закономерностей влияния на высоковольтную зарядку следующих параметров внешней конструкции:

прюводимостп и вторичной эмиссии электронов диэлектрических материалов покрытий — для существенного подавления уровня электризации проводимость должна быть > Ю~12(Ом • м)-1, коэффициент вторичной эмиссии ~ 0.9;

топологии покрытий на внешней поверхности К А, расположенпя и удельной площади проводящих поверхностей — потенцпал для КА "Горизонт" при соотношении диэлектрической п проводящей площади £д/5„ = 15 составил 14 кВ, для полностью покрытого диэлектриком 19 кВ;

толщины внешних диэлектрических покрытии определяющих динамику зарядки КА и разность потенциалов, для толщин диэлектриков > 1 мм наблюдается экстремум дифференциальной зарядки;

геометрических особенностей конструкции КА — для вогнутых учас: ков поверхностей К А происходит усиление зарядки на 1 кВ, для вытянутой геометрии СБ на КА "Горизонт" наблюдается такое же усиление зарядки по сравнению с более компактной конфигурацией, СБ.

Наличие проводящих поверхностей на освещенных участках КА снижает общий уровень зарядки, уменьшает разность потенциалов, напряженности электрических полей л, тем самым, вероятность электростатических разрядов. Потенциал для КА "Горизонт" при соотношении диэлектрической и проводящей площади 5Д/5П = 15 составил 14 кВ, для полностью покрытого диэлектриком — 19 кВ.

Повышение проводимости диэлектрических материалов может являться эффективным средством ограничения электростатических потенциалов. Увеличение проводимости материалов на один, два порядка, до > Ю-12(Ом • м)-1, по сравнению с используемыми в настоящее время приводит к перепаду потенциалов, не превышающему 1 кВ.

Важным фактором процесса зарядки является толщина диэлектрических покрытий, определяющая характерное время зарядки до равновесного значения. Покрытия тонкими диэлектриками снижают разность потенциалов, увеличивают время зарядки. При кратковременных суббуревых возмущениях магнитосферы разности потенциалов не успевают нарасти до больших значений. Для толщин диэлектриков > 1 мм наблюдается экстремум дифференциальной зарядки.

Расчеты геометрических особенностей конструкции КА показывают, что для вогнутых участков поверхностей КА происходит усиление за-, рядки на 1 кВ. При рассмотрении влияния геометрии солнечных батарей установлено, что при одной и той же площади СБ вытянутая форма менее предпочтительна, поскольку в этом случае перепад потенциалов на освещенной стороне больше, чем для компактной конфигурации панелей.

Выявленные закономерности влияния характеристик внешних покрытий на процессы зарядки позволяют сделать вывод о возможности разработки конструкции КА, препятствующей возникновению высоковольтных, разностей потенциалов на нем.

Основные результаты работы

1. Разработаны оригинальные средства графической обработки дан-пых, визуализации и документирования результатов численных расчетов, автоматизированная система ввода-вывода данных для ЭКО-М, позволяющего моделировать процессы высоковольтной зарядки К А на высоких орбитах. .

2. Проведен численный анализ процессов электризации на геостационарной орбите в моменты суббуревых возмущений магнптосферй на примере КА "Горизонт". Исследовано влияние различных факторов на возникновение высоких потенциалов, дифференциальную зарядку отдельных частей конструкции КА и формирование предпробойных ситуаций.

3. Разработана методика и реализовал план численного анализа электризации К А "Горизонт".

4. Анализ влияния внешних конструкционных -.ементов на высоковольтную зарядку, на примере КА "Горизонт", показал возможность ее снижения за счет незначительного повышения проводимости материалов диэлектрических покрытий и использования материалов с высокой вторичной эмиссией. При наличии альтернативных диэлектрических материалов возможен выбор комбинации, минимизирующей электростатические потенциалы.

5. Снижения высоковольтной зарядки возможно добиться путем оптимизации площади металлизированной поверхности и толщины диэлектрического покрытия.

G. Обоснована возможность применения программного комплекса ЭКО-М в качестве инструмента тестирования принятых конструкционных решений по снижению высоковольтной зарядки и средства, способствующего выработке таких решений.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. Васильев Ю.В., Ефимов B.C., Ефимова Л.И., Дворяшин В.М.

О дифференциальной зарядке геосинхронных К А// Сб. статей по исследованию электризации/ Под редакцией Г.М. Чернявского Т.1. Вып.2. М., 1984. С. 44-52.

2. Васильев Ю.В., Дворяшин В.М., Иванов В.Я. Математическое моделирование процессов электризации космических аппаратов на геосинхронной орбите// Тезисы докл. I конф. по электризации КА. Москва, 20-22 июня 1984. М., 1984. С. 107.

3. Дворяшин В.М., Иванов В.Я. Решение трехмерных краевых задач с граничными условиями в виде разрывов на двустороннпх поверхностях. М.: ВИНИТИ, 1985. N1454-85flen. 22 с.

4. Васильев Ю.В., Дворяшин В.М. Математическое моделирование процессов электризации на геостационарной орбите. Пакет прикладных программ ЭКО-ЕС// Тезисы докл. П конф. по электризации КА. Красноярск, 30 шоня-4 июля 1986. М., 1986. С. 93.

5. Васильев Ю.В., Дворяшин В.М. Программный комплекс ЭКО-М. Опыт эксплуатации и перспективы развития//. Тезисы докл. IV конф. по электризации КА. Томск, 1990. С. 102.

6. Vasilyev Ju., Danilov V., Dvoryashin V., Kramarenko A., Sokolov V. Computer modeling of spacecraft charging using ECO-M // Proceedings of the International Conference on Problems of Spacecraft/Environment