КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 3, с. 270-273
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 533.9+537.81
АНАЛИЗ ИЗМЕРЕНИЙ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ЗОНЕ ОРБИТАЛЬНОГО
КОМПЛЕКСА МИР
© 2007 г. Ю. В. Лисаков1, С. И. Климов1, О. В. Лапшинова2, Н. М. Пушкин3, А. С. Машков3
ylissako@iki.rssi.ru 1Институт космических исследований РАН, г. Москва, 2Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С П. Королева, г. Королев 3Научно-производственное объединение измерительной техники, г. Королев Поступила в редакцию 14.06.2005 г.
РАС8: 94.05.Jq
Исследования заряжения (приобретение электрического потенциала) КА начались практически с запуском первых ИСЗ, как экспериментально [1, 2], так и теоретически (модельно) [3, 4, 5], и продолжаются в настоящее время [6]. Данные, полученные с борта КА, в лабораторных и теоретических исследованиях, дополняются результатами компьютерного моделирования. Сложность решения этой проблемы, важной для увеличения сроков успешного функционирования КА на орбитах, связана с пространственно-временным разнообразием параметров окружающей среды и с многообразием назначений, размеров и форм КА - от микроспутников до орбитальных комплексов (ОК) таких, как Мир и Международная космическая станция (МКС). Измерения электрических полей в космической плазме и электрических потенциалов имеют ряд методических и технических ограничений [7]. Актуальность настоящей работы обусловлена тем, что за последние десятилетия проведено очень ограниченное число экспериментов по изучению характера обтекания КА.
В работе представлены результаты измерений, выполненных датчиками вибрационного типа прибора "Зонд-Заряд" [8, 9, 10]. Конструктивно детекторы (чувствительные элементы) двух датчиков прибора размещались на противоположных плоскостях модуля Квант ОК Мир (см. рис. 2, в [8]) на расстоянии 3.4 м один от другого и имели апертуры, направленные диаметрально противоположно, соответственно параметры ИНЭП1 (-2), ИНЭП2 (+2). Детекторы прибора размещались на уровне поверхности ОК. Величине измеряемого электрического поля соответствует выходной сигнал от детектора, поступающий на телеметрию, такой, что ТМЕ = К • Е, где ТМЕ - телеметрическая единица, К - интегральный приборный коэффициент преобразования, Е значение измеряемого электрического поля. При выполнении данной
серии экспериментов коэффициент К достоверно известен не был, поэтому при анализе данных использовались значения ТМЕ.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Данная работа основана на обработке и анализе измерений, проведенных в 1999 году:
- четырех сеансов в режиме трехосной ориентации ОК в орбитальной системе координат;
- одного сеанса в режиме вращения ОК (закрутки).
Дискретность измерений во всех сеансах составляла 0.64 с. Исходная телеметрическая информация была очищена от сбоев и недостоверных измерений.
Измерения в режиме трехосной ориентации ОК 29. VI и 30.VI.1999 г. относятся к периоду спокойной: Кр = 10, 1,Кр = 14+ и очень спокойной геофизической обстановке: Кр = 1+, ЪКр = 5+, соответственно. Высота орбиты Ок Мир на этот период измерений составляла 350-370 км (выше максимума ^-слоя). Продолжительность работы прибора в каждом сеансе составляла 2 часа, из которых около 36-ти минут приходилось на ночной участок орбиты. При анализе измерений использовались данные ориентации: углы строительных осей базового блока ОК (ББОК) с направлениями на Солнце, с направлением вектора магнитного поля Земли, с направлением вектора скорости. На протяжении сеансов угол апертуры датчиков имел направление близкое к перпендикулярному вектору скорости 86°-94° для первого сеанса и 79°-101° для второго. Время между сеансами измерений составляло около 8-ми часов. Характер поведения измеряемых параметров на протяжении сеансов в общих чертах одинаков. Основной результат измерений в сеансах с режимом трехосной ориентации состоит в том, что в условиях
АНАЛИЗ ИЗМЕРЕНИИ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
271
(а)
10.21.10,175
ву 90°
(б)
Параметр ИНЭП1 тшй = -45.146 (ТМЕ) тах R = 62.567 (ТМЕ)
тш8 = 4.4° о^тах в = 356.3°
0
270
10.42.49,480
10.21.10,175
ву 90°
Параметр ИНЭП2 тш R = -48.829 (ТМЕ) тах R = 48.562 (ТМЕ)
тш8 = 4.4° тахв = 356.3°
^0 о -
Рис. 1. а - центр фрагмента - измерения в напоре;
270
10.42.49,480 ) - измерения в следе.
одинаковой освещенности, при углах апертуры датчиков с направлением вектора скорости, близких к 90° и направленных диаметрально противоположно, оба параметра на протяжении всего сеанса показывают близкие по абсолютной величине значения - несколько ТМЕ.
Измерения в режиме вращения (закрутки) ОК 16.IX.1999 г. выполнялись в течение 88.5 минут. Измерения относятся к периоду умеренно возмущенной геофизической обстановки: Кр = 4+, £Кр = 31+. ОК вращался вокруг оси X ББОК (ось X перпендикулярна плоскости орбиты и, соответственно, вектору орбитальной скорости). Кроме того, около 35° составляла прецессия оси X. По априорным данным скорость вращения ОК составляла около 0.25 град/с, период - около 23.5 мин. За время измерений ОК совершил около 4-х оборотов. Поскольку ОК вращался вокруг строительной оси X ББОК, датчики поочередно проходили области спутного следа (апертура против вектора скорости) и набегающего потока - напора (апертура по вектору скорости), с чем и связано характерное изменение телеметрического сигнала с периодом вращения ОК. Таким образом, вследствие вращения КА датчиками прибора "Зонд-Заряд" осуществлялось угловое сканирование области, возмущенной поступательным движением КА. На протяжении сеанса, каждый из датчиков 4 раза выполнял измерения в области следа, в это же время другой датчик выполнял измерения в области напора. Были проанализированы восемь частично перекрывающихся фрагментов. Наблюдаются некоторые общие закономерности поведения параметров. Значения параметра в области следа по амплитуде всегда существенно больше значения параметра в напоре или на боковых поверхностях. В напоре значение параметра всегда
находится в пределах нескольких ТМЕ. При входе в область следа параметр всегда сначала принимает отрицательное (или более отрицательное) значение, затем переходит в область положительных значений, и далее снова в область отрицательных значений. На дневном участке орбиты в следе параметр принимает большие по амплитуде значения, чем на ночном (в конце сеанса значения параметров в следе выходят за пределы измерительной шкалы прибора). В напоре и следе наблюдается асимметрия нулевого, минимального или максимального значения параметров относительно минимального (максимального) значений - угла оси 2 с вектором скорости. При анализе измерений с целью более наглядного их представления данные фрагментов были построены в полярной системе координат. Изменения угла
были трансформированы в диапазон изменений 0-360°. На рис. 1 в полярных координатах показан фрагмент измерений 10.21.10-10.42.49 ит. Здесь обратим внимание на угловые протяженности областей обтекания. Угловая протяженность напора - около 120°(±60°); две боковые поверхности с угловой протяженностью около 60° каждая; след с угловой протяженностью около 120°(±60°), включающий отрицательную часть протяженностью около 45°, положительную часть протяженностью приблизительно 30° и снова отрицательную часть протяженностью около 45°.
Таким образом, основные результаты измерений в сеансе с режимом закрутки состоят в том, что:
при углах апертуры датчиков относительно вектора скорости, близких к 90° (270°) и направленных диаметрально противоположно, оба параметра на протяжении всего сеанса показывают близкие по абсолютной величине значения - не-
272
ЛИСАКОВ и др.
(а)
(б)
Боковые поверхности
90°
С Л о Е
д
270 ^ Боковвая поверхность
Рис. 2. а - в декартовых координатах; координатах.
0° Напор
Плазма
^УЧЛЛЛЛЛЛЛ^*
Н А
ОП у0
о р
Плазма
I полярных
сколько ТМЕ (так же как в сеансах с трехосной ориентацией);
при углах апертуры датчиков, с направлением вектора скорости, близких к 0° (360°) или 360° (0°) и направленных диаметрально противоположно, параметры показывают существенно отличающиеся (всегда не менее, чем на порядок) по абсолютной величине значения;
области напора, следа и области боковых поверхностей, включающие отрицательные и положительные значения поля, имеют приблизительно одинаковую угловую протяженность, несмотря на амплитудные различия;
электрическое поле в двойном слое в следе при его угловом сканировании имеет трехлепест-ковую структуру по амплитуде и знаку, т.е. при входе в область следа наблюдается отрицательное электрическое поле, далее поле становится положительным и затем снова отрицательным;
во всех анализировавшихся фрагментах, несмотря на амплитудные различия, в следе угловая протяженность положительного лепестка составляет приблизительно 30°, угловая протяженность отрицательных лепестков - около 45° каждого.
Измерения в сеансе 17.VII.1999 г. включали в себя процесс отстыковки от ОК Мир транспортного КА Прогресс. Близкие по величине значения
параметров: ИНЭП1 0.2...-0.25 ТМЕ, ИНЭП2 -2.. .-3 ТМЕ, предшествовавшие по времени выдаче команды на расстыковку, показывают, что направления апертуры датчиков находились в боковых по отношению к направлению вектора скорости областях. В момент разъединения объектов оба параметра одновременно и резко изменяют свое значение: ИНЭП1 до +2.5 ТМЕ за 2 с, ИНЭП2 до -7.7 ТМЕ за 9 с. Затем параметры возвращаются к исходному значению в течение 50 и 25 с, соответственно. Наблюдаемый эффект возникает в момент разъединения объектов. Сигнал на каждом из датчиков имеет различные временные и амплитудные проявления.
ОБСУЖДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ
При анализе выполненных с борта ОК Мир измерений электрических полей, принималась во внимание следующая специфика, влияющая на результаты:
- значительные размеры КА - максимальная длина, взятая по одной из строительных осей ОК, составляла около 30 м;
- зависимость характера взаимодействия тела с обтекающей его плазмой (и как результат взаимодействия возникновение электрических полей) от формы тела, часть модуля Квант ОК Мир, на который установлены датчики прибора "Зонд-Заряд"
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.