научная статья по теме ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ВБЛИЗИ НИЗКООРБИТАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Метрология

Текст научной статьи на тему «ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ВБЛИЗИ НИЗКООРБИТАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ»

3. Пат. 2263305 РФ. Динамический способ исследования теплофизических свойств жидкостей и устройство для исследования теплофизических свойств жидкостей / В. Л. Веснин и др. // Изобретения. Полезные модели. 2005. № 30.

4. Берг А. Н., Николаев Д. М., Роде С. И. Термография. М.: Изд-во АН СССР, 1944.

5. Егунов В. П. Введение в термический анализ. Самара: СамВен, 1996.

6. Пат. 2183323 РФ. Способ исследования низкотемпературных свойств многокомпонентных жидкостей и устройство для его осуществления / М. Л. Конторович и др. // Изобретения. Полезные модели. 2002. № 12.

7. Соломин Б. А., Ходаков А. М. Сравнительный анализ схем термоохлаждающих устройств в установке для исследования теплофизических свойств жидкостей в условиях неравновесной термодинамики // Изв. Самар. науч. центра. РАН. 2008. № 3. С. 719—723.

8. Пат. 2419781 РФ. Вибровискозиметрический датчик / Б. А. Соломин, М. Л. Конторович, А. А. Подгорнов // Изобретения. Полезные модели. 2011. № 15.

9. Пат. 2289125 РФ. Способ исследования термодинамического структуропреобразования жидких сред / Б. А. Соломин и др. // Изобретения. Полезные модели. 2006. № 34.

10. Пат. 2362152 РФ. Способ исследования процессов структуропреобразования в жидкостях / Б. А. Соломин, В. Б. Галкин, А. А. Подгорнов // Изобретения. Полезные модели.

11. Пат. 2365906 РФ. Способ исследования процессов структуропреобразования в жидкостях / Б. А. Соломин, А. А. Подгорнов // Там же.

12. Соломин Б. А., Галкин В. Б., Подгорнов А. А. Способ исследования межмолекулярных взаимодействий в многокомпонентных жидких средах методами неравновесной термодинамики // Изв. Самар. науч. центра. РАН. 2008. № 3. С. 732—738.

13. Соломин Б. А., Галкин В. Б., Подгорнов А. А. Способ исследования межмолекулярных взаимодействий в смазочных маслах методами неравновесной термодинамики // Химия и технология топлив и масел. 2008. № 5. С. 48—51.

14. Соломин Б. А. и др. Метод определения наличия вос-ков и воскоподобных веществ в растительных маслах // Заводская лаборатория. 2010. Т. 76. № 5. С. 37—41.

15. Соломин Б. А., Галкин В. Б., Подгорнов А. А. Комплексное исследование термостимулированных микроструктурных процессов в смазочных маслах // Химия и технология топлив и масел. 2010 № 5. С. 47—51.

16. Низаметдинов А. М. и др. Метод количественного определения содержания восков в растительных маслах // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2013. Т. 15. № 4. С. 42—46.

Дата принятия 13.01.2014 г.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

629.786.2:537.29:537.24

Электростатические явления вблизи низкоорбитальных космических аппаратов

Ю. А. ПЛАСТИНИН, И. Ю. СКРЯБЫШЕВА

Центральный научно-исследовательский институт машиностроения, Королев, Россия,

e-mail: 103300@rambler.ru

Рассмотрено изменение поляризованных полярных составляющих околообъектовой среды вблизи заряженной поверхности низкоорбитальных космических аппаратов.

Ключевые слова: низкоорбитальный космический аппарат, околообъектовая среда, атмосфера, ионосфера, кинетика, электростатическое поле, потенциал, напряженность.

It was considering the behaviour of polarized polar contaminants forming environment near charged surfaces of low-orbital spacecrafts.

Key words: low-orbital spacecraft, environment, atmosphere, ionosphere, kinetics, electrostatic field, potential, strength.

При проведении оптически тонких экспериментов на низких околоземных орбитах возникают проблемы, связанные с воздействием орбитальной среды на конструкционные материалы космических аппаратов (КА) [1—5]. Нейтральные, зарядовые составляющие и электромагнитное из-

лучение Солнца вызывают потоки возбужденных контами-нант в околообъектовой среде, которые создают шумы в видимом и оптическом диапазонах. Дополнительным источником такого шума также является заряд поверхности материала. Отрицательно заряженные поверхности притягивают

положительно заряженные ионы кислорода, превалирующие в рассматриваемой области высот, и поляризованные полярные составляющие околообъектовой среды, вызывая сложный комплекс плазменно-химических процессов вблизи и на заряженной поверхности, что в итоге оборачивается загрязнением и снижением качества материалов (стекол объективов оптических систем, защитных покрытий солнечных батарей (СБ) и т. д.).

Цель настоящей статьи — разработка метода определения электрической зарядки (полей и потенциалов) поверхности конструкционных материалов КА в условиях воздействия верхней ионосферы Земли для расчета притока поляризованных контаминант к заряженной поверхности КА, вызывающих указанные эффекты. Для достижения поставленной цели рассмотрим модель расчета электростатических полей на примере тонкой оптически прозрачной диэлектрической пленки (моделирующей кварцевое покрытие СБ) и применим ее для высот функционирования низкоорбитальных КА.

Модель расчета электростатических полей и потенциалов заряженного диэлектрического покрытия низкоорби-тапьных КА. В основу методики расчета положена стационарная модель однослойного диэлектрика с подвижными и захваченными ловушками носителями в пренебрежении их диффузией [6]. Изначально эта модель предназначалась для высокоорбитальных КА. В области низких орбит характер околообъектовой среды существенно меняется. Суть этих изменений в следующем.

Верхнюю среднеширотную атмосферу можно условно разделить на две области: первая — ниже 100 км (гомогенная атмосфера, состоящая из N (~80 %), 02 (~18 %), небольшой примеси N0^ Аг и др. газов); вторая — свыше 100 км (в результате фотодиссоциации молекулярного кислорода начинают преобладать атомы О). На высотах около 500 км в зависимости от активности Солнца и расположения орбиты КА изменяются плотность нейтральных составляющих свободной атмосферы в диапазоне 2 ■ 1012 — 3 ■ 1014 м-3, кинетическая температура газа 500—2000 К, давление 1,33 ■ (10-8—10-6) Па. Ультрафиолетовое и вакуумное ультрафиолетовое излучения проникают в атмосферу до высот порядка 60 км от поверхности земли, способствуя возникновению возбужденных и заряженных составляющих. Высотное

изменение плотности нейтральных частиц, частоты ионизации и поглощения излучения атмосферой приводит к формированию структурных слоев ионосферы Е, F1 и F2) [7].

Таким образом, в модель расчета электростатических полей и потенциалов заряженных покрытий для низкоорбитальных КА необходимо вносить изменения. На граничные условия влияют: электронная составляющая ионосферы с ограничением до 0,1 эВ в предположении максвелловского распределения частиц по скоростям, значения которых значительно превышают скорость движения самого КА; ионная составляющая с преобладанием положительно заряженных ионов 0+, тепловая скорость которых много меньше скорости движения КА; фотоны с энергиями 1,55 — 12,23 эВ. Начальные концентрации частиц свободной ионосферы определяют по модели [8].

В отличие от области высоких орбит, где присутствие частиц высоких энергий обуславливает накопление значительного объемного заряда, в рассматриваемой области основополагающую роль в процессах зарядки играют поверхностные эффекты, связанные с изменением потенциала поверхности и его градиента. Кроме того, задание нулевого потенциала на необлучаемом контакте (подложке) фс = 0 означает отсутствие инжекционных токов с него. В любом случае при фс = 0 или фс ф 0 напряженность Е электростатического поля объемного заряда по толщине 6 диэлектрического слоя на каждом /-м шаге вычислений определяют по формуле

Е(х) = I (х/) / [дц0п0(хД

где } (X/) — плотность тока утечки заряда внутри диэлектрического слоя; п0(х) — концентрация свободных носителей д, обуславливающая проводимость диэлектрического слоя; ц0 = 1,4 ■ 10-7 м2/(В ■ с) — истинная подвижность.

Так как токи утечки создают микроскопические поля, усредненная плотность такого заряда мала по сравнению с токами инжекции из ионосферы, что не противоречит классической теории электромагнитного поля. Как и в [9], инжек-цию зарядов с контактов определяют по градиенту потенциала Аф/Ах. Вторично-эмиссионными процессами ионов пренебрегают.

На рис. 1 представлены тестовые расчеты основных электрофизических характеристик кварцевого покрытия, облуча-

Рис. 1. Распределение потенциала ф и напряженности Е электрического поля по толщине кварцевого покрытия 6 = 6,4 мкм: 1 — инжекция носителей с необлучаемого контакта отсутствует, ф6 = фс; б — ф6 = 200 В и фс = 0; в — инжекция носителей с необлучаемого контакта учитывается, ф6 = 200 В и фс = 0; фм, Ем — представлены в [9], фр, Ер — рассчитанные в настоящей работе

Рис. 2. Распределение потенциала ф (кривые 1, 2) и напряженности Е (кривые 3, 4) электростатического поля по толщине кварцевой пленки С = 150 мкм при фс = 0, фс = -40 В:

1, 3 — фр, Ер при максимальной энергии электронов ионосферы Ее тах = 0,1 эВ, рассчитанный фс = -11,37 В; 2, 4 — фр, Ер при Ее тах = 100 эВ, рассчитанный фс = -37,56 В

емого электронами с энергией 28 кэВ. Толщина образца составляет 6,4 мкм. Рассмотрены различные варианты зарядки облучаемой поверхности. Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы. Рассчитанные кривые практически совпадают с результатами, представленными в [9]:

случай, изображенный на рис. 1, а, соответствует слабой зарядке облучаемой поверхности фс = ± 0, 01 В и отсутствию инжекции с необлучаемого контакта фс = 0. При фс > 0 облучаемая поверхность собирает электроны с учетом их эмиссии, чтобы скомпенсировать положительный объемный заряд, сосредоточенный у противоположного необлучаемого

Рис. 3. Распределение потенциала по поверхности кварца, заряженного до уровня фс = -11,37 В

контакта. Аналогичный характер имеет поле в случае, показанном на рис. 1, б. Для фс < 0 и фс = 0 облучаемая поверхность собирает электроны с большей энергией, обуславливая накопление отрицательного объемного заряда у подложки;

при инжекции носителей с необлучаемого контакта (см. рис. 1, в) характер поля спадающий. В отличие от результатов, приведенных в [9], инжекцию на необлучаемом контакте учитывают введением на нем двух граничных условий — величин дф/дх и фс ф 0. В противоположность предыдущему результату здесь инжекция существенно ослабляет напря

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.

Показать целиком