Потенциал высоковольтной солнечной батареи космического аппарата в плазме электроракетного двигателя

Авиационная и ракетно-космическая техника

2023. Т. 30. № 3. С. 125-135.

Авторы

Валиуллин В. В.1*, Надирадзе А. Б.2**

1. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4
2. Кафедра 208 «Электроракетные двигатели, энергетические и энергофизические установки»,

*e-mail: valiullinvv@mai.ru
**e-mail: nadiradze@mai.ru

Аннотация

Построена расчетная модель для оценки плавающего потенциала открытых металлических поверхностей высоковольтных солнечных батарей (БС) в плазме электроракетного двигателя (ЭРД). Представлены результаты расчета плавающего потенциала БС в зависимости от площади открытых электродов и угла поворота панели БС. Показано, что токи утечки на положительно заряженных электродах могут нагревать их до высоких температур и инициировать вторичные дуговые разряды (ВДР). Проведены оценки разрушающего воздействия ВДР на положительно заряженные электроды. Отмечается возможность возникновения дуговых разрядов на отрицательно заряженных электродах и каркасе. Выявлена необходимость оценки токов утечки, плавающего потенциала и вероятности возникновения дуговых разрядов при проектировании энергоустановок космических аппаратов на базе высоковольтных солнечных батарей.

Ключевые слова:

космический аппарат, электроракетные двигатели, высоковольтные солнечные батареи, вторичный дуговой разряд

Библиографический список

  1. Осипов А.В., Шиняков Ю.А., Черная М.М. Высоковольтная система электропитания космического аппарата с индуктивно-емкостным преобразователем. Патент RU 2634612 C2. Бюл. № 31, 02.11.2017.

  2. Шиняков Ю.А., Осипов А.В., Черная М.М. Высоковольтная система электропитания космического аппарата. Патент RU 2634513 C2. Бюл. № 31, 02.11.2017.

  3. Goebel D.M., Filimonova O.S. High Voltage Solar Array Development for Space and Thruster-Plume Plasma Environments // IEEE Transactions on Plasma Science. 2022. Vol. 50. No. 3, pp. 721-730. DOI: 10.1109/TPS.2022.3147424

  4. Акишин А.И. Снижение мощности солнечных батарей искусственных спутников Земли под воздействием электрических разрядов // Перспективные материалы. 2008. № 4. С. 21–28.

  5. Акишин А.И. Электроразрядные сбои в космических аппаратах в зоне космических излучений // Перспективные материалы. 2010. № 2. С. 27–32.

  6. Ferguson D.C., Hillard G.B, Vayner B.V. et al. High Voltage Space Solar Arrays // 53rd International Astronautical Congress. The World Space Congress – 2002. IAC-02- IAA.6.3.03.

  7. Vayner B.V., Galofaro J.T., Ferguson D.C. Experimental Study of Arcing on High-voltage Solar Arrays // 18th Space Photovoltaic Research and Technology Conference (Cleveland. Ohio. 2005).

  8. Khayms V., Logan-Garbisch A., Kannenberg K. Measurements and modeling of a solar array floating potential and leakage current in a Hall thruster plume environment // 41st AIAA/ ASME/ASE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2005. DOI: 10.2514/6.2005-3862

  9. Carruth M.R., Vaughn J.A., Bechtel R.T., Gray P.A. Electrical Breakdown of Space Station Freedom Surfaces // 30th Aerospace Science Meeting and Exhibit (Reno. NV. 1992). AIAA 92-0820.

  10. Théroude C., Satellites A., Ardura C., Gengembre E. Self-consistent Simulations of Interactions between Spacecraft and Plumes of Electric Thrusters // 33rd International Electric Propulsion Conference (The George Washington University, Washington D.C. USA. 2013). IEPC-2013-73.

  11. Spacecraft Plasma Interaction Software: SPIS, Spacecraft Plasma Interaction System – SPIN 2023. URL: https://www.spis.org/software/spis/

  12. Cho M., Hastings D.E. Dielectric Charging Process and Arcing Rates of High Voltage Solar Arrays // Journal Spacecraft and Rockets. 1991. Vol. 28. No. 6, pp. 698-706.

  13. Goebel D.M., Katz I. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters. – John Wiley & Sons, Inc., 2008. – 514 p. DOI: 10.1002/9780470436448

  14. Tverdokhlebova E.M., Borisov B.G., Korsun A.G. et al. Simulation of near-electrode processes of a electric discharge in the ISS environment // 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (09-12 January 2006; Reno. Nevada). DOI: 10.2514/6.2006-872

  15. Tverdokhlebova E.M., Korsun A.G., Garkusha V.I. et al. Inf luence of Space Propulsions and Plasma Sources on Electric-Discharge Phenomena on the ISS // 4th International Spacecraft Propulsion Conference (Chia Laguna (Cagliari). Sardinia. Italy. 2004). ESA SP-555.

  16. Gabdullin F.F., Korsun A.G., Lavrenko E.G. et al. The Plasma Plume of the ISS Plasma Contactor Unit under the Effect of the Geomagnetic Field // 30th International Electric Propulsion Conference (Florence. Italy. 2007).

  17. Gabdullin F.F., Korsun A.G., Tverdokhlebova E.M. The Plasma Plume Emitted Onboard the International Space Station Under the Effect of the Geomagnetic Field // IEEE Transactions on Plasma Science. 2008. Vol. 36. No. 5, pp. 2207–2213. DOI: 10.1109/TPS.2008.2004236

  18. Del Amo J.G. Numerical Simulation of the Interactions Between Solar Arrays and the Surrounding Plasma Environment DRAFT // 29th International Electric Propulsion Conference (Princeton University. USA. 2005).

  19. Shan K., Chu Yu., Li Q. et al. Numerical Simulation of Interaction between Hall Thruster CEX Ions and SMART-1 Spacecraft // Mathematical Problems in Engineering. 2015. Vol. 3, pp. 1-8. DOI: 10.1155/2015/418493

  20. Горшков О.А., Муравлев В.А., Шагайда А.А. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов. – М.: Машиностроение, 2008. – 280 с.

  21. Галкин В.В. Солнечные и аккумуляторные батареи ОАО «Сатурн» на космических аппаратах с электронными двигателями // Труды МАИ. 2012. № 60. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=35383

  22. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. – М.: Атомиздат, 1969. – 291 с.

  23. Хаддлстоун Р.Х. Леонард С.Л. (ред.) Диагностика плазмы / Пер. с англ. Е.И. Доброхотова, Н.Г. Ковальского, В.С. Муховатова; Под ред. С.Ю. Лукьянова. – М.: Мир, 1967. – 515 с.

  24. Korsun A.G., Tverdokhlebova E.M., Gabdullin F.F., Brosse S. The Electric Currents and Potentials Generated by Plasma Plume over SC Structure Elements // 42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 2004. DOI:10.2514/6.2004-985

  25. Семененко Д.А., Саевец П.А., Комаров А.А., Румянцев А.В. Анализ интегральных характеристик стационарного плазменного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 4. С. 173–180. DOI: 10.34759/vst-2020-4-173-180

  26. Надирадзе А.Б., Хартов С.А., Шапошников В.В. Исследования особенностей процесса ионной эрозии в стационарном плазменном двигателе // Вестник Московского авиационного института. 2008. Т. 15. № 3. С. 25–33.

  27. Надирадзе А.Б., Фролова Ю.Л., Зуев Ю.В. Калибровка конической модели струи стационарного плазменного двигателя по интегральным параметрам двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 4. С. 144–155. DOI: 10.34759/vst-2019-4-144-155

  28. Надирадзе А.Б., Фролова Ю.Л. Механизмы образования ионов промежуточных энергий в струях стационарных плазменных двигателей // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 3. С. 186–197. DOI: 10.34759/vst-2020-3-186-197

  29. Архипов А.С., Сидоренко Е.К. Анализ баланса энергии в разряде стационарного плазменного двигателя по результатам измерений его интегральных параметров и характеристик струи // Вестник Московского авиационного института. 2010. Т. 17. № 5. С. 121–129.

  30. Захаренков Л.Э., Семенкин А.В., Солодухин А.Е. Экспериментальное исследование многодвигательной системы на базе нескольких одновременно работающих электро ракетных двигателей с анодным слоем // Космическая техника и технологии. 2016. № 1(12). С. 39–56.

  31. Жасан В. С., Ким В. П., Меркурьев Д. В. и др. Исследование интегральных характеристик и характеристик струи СПД малой мощности при работе на ксеноне, криптоне и их смесях // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2016. № 2. С. 66–79.

  32. Absalamov S.K., Andreev V.B., Colbert T. et al. Measurement of plasma parameters in the stationary plasma thruster (SPT-100) plume and its effects on spacecraft components // 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit (0 6-08 July 1992; Nashville, TN, USA). DOI: 10.2514/6.1992-3156

  33. Лафферти Дж. (ред.) Вакуумные дуги / Пер. с англ. А.В. Елецкого, Е.З. Меплихова, А.А. Радцига; Под ред. В.И. Раховского. – М.: Мир, 1982. – 428 с.

  34. Месяц Г.А. Эктон – лавина электронов из металла // Успехи физических наук. 1995. Т. 165. № 6. С. 601–626. DOI: 10.3367/UFNr.0165.199506a.0601

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024