Искусственная мини-магнитосфера как средство управления движением космического аппарата в ионосфере Земли

Для обоснования возможности управления движением космических аппаратов в ионосфере с помощью устройства типа «магнитный парус» проанализированы результаты серии экспериментальных исследований взаимодействия моделей космических аппаратов с гиперзвуковым потоком разреженной плазмы. Предложена идея экс...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2018
Main Authors:	Кучугурный, Ю.П., Кулагин, С.Н., Носиков, С.В., Цокур, А.Г.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України 2018
Series:	Технічна механіка
Online Access:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/173897
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Искусственная мини-магнитосфера как средство управления движением космического аппарата в ионосфере Земли / Ю.П. Кучугурный, С.Н. Кулагин, С.В. Носиков, А.Г. Цокур // Технічна механіка. — 2018. — № 2. — С. 60-70. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-173897
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1738972020-12-26T01:25:53Z Искусственная мини-магнитосфера как средство управления движением космического аппарата в ионосфере Земли Кучугурный, Ю.П. Кулагин, С.Н. Носиков, С.В. Цокур, А.Г. Для обоснования возможности управления движением космических аппаратов в ионосфере с помощью устройства типа «магнитный парус» проанализированы результаты серии экспериментальных исследований взаимодействия моделей космических аппаратов с гиперзвуковым потоком разреженной плазмы. Предложена идея эксперимента на околоземной орбите с использованием микроспутника CubeSat. Для обгрунтування можливості керування рухом космічних апаратів в іоносфері за допомогою пристрою типу «магнітний парус» проаналізовано результати серії експериментальних досліджень взаємодії моделей космічних апаратів з гіперзвуковим потоком розрідженої плазми. Запропоновано ідею експерименту на навколоземній орбіті з використанням мікросупутника CubeSat. Based on the results of a series of experimental studies of the interaction of spacecraft models with a hypersonic rarefied plasma flow, this paper demonstrates the possibility of controlling spacecraft motion in the ionosphere with the use of a device of the “magnetic sail” type and proposes an idea of an experiment onboard a CubeSat microsatellite in a near-Earth orbit. 2018 Article Искусственная мини-магнитосфера как средство управления движением космического аппарата в ионосфере Земли / Ю.П. Кучугурный, С.Н. Кулагин, С.В. Носиков, А.Г. Цокур // Технічна механіка. — 2018. — № 2. — С. 60-70. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/173897 533.9 ru Технічна механіка Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Для обоснования возможности управления движением космических аппаратов в ионосфере с помощью устройства типа «магнитный парус» проанализированы результаты серии экспериментальных исследований взаимодействия моделей космических аппаратов с гиперзвуковым потоком разреженной плазмы. Предложена идея эксперимента на околоземной орбите с использованием микроспутника CubeSat.
format	Article
author	Кучугурный, Ю.П. Кулагин, С.Н. Носиков, С.В. Цокур, А.Г.
spellingShingle	Кучугурный, Ю.П. Кулагин, С.Н. Носиков, С.В. Цокур, А.Г. Искусственная мини-магнитосфера как средство управления движением космического аппарата в ионосфере Земли Технічна механіка
author_facet	Кучугурный, Ю.П. Кулагин, С.Н. Носиков, С.В. Цокур, А.Г.
author_sort	Кучугурный, Ю.П.
title	Искусственная мини-магнитосфера как средство управления движением космического аппарата в ионосфере Земли
title_short	Искусственная мини-магнитосфера как средство управления движением космического аппарата в ионосфере Земли
title_full	Искусственная мини-магнитосфера как средство управления движением космического аппарата в ионосфере Земли
title_fullStr	Искусственная мини-магнитосфера как средство управления движением космического аппарата в ионосфере Земли
title_full_unstemmed	Искусственная мини-магнитосфера как средство управления движением космического аппарата в ионосфере Земли
title_sort	искусственная мини-магнитосфера как средство управления движением космического аппарата в ионосфере земли
publisher	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
publishDate	2018
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/173897
citation_txt	Искусственная мини-магнитосфера как средство управления движением космического аппарата в ионосфере Земли / Ю.П. Кучугурный, С.Н. Кулагин, С.В. Носиков, А.Г. Цокур // Технічна механіка. — 2018. — № 2. — С. 60-70. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
series	Технічна механіка
work_keys_str_mv	AT kučugurnyjûp iskusstvennaâminimagnitosferakaksredstvoupravleniâdviženiemkosmičeskogoapparatavionosferezemli AT kulaginsn iskusstvennaâminimagnitosferakaksredstvoupravleniâdviženiemkosmičeskogoapparatavionosferezemli AT nosikovsv iskusstvennaâminimagnitosferakaksredstvoupravleniâdviženiemkosmičeskogoapparatavionosferezemli AT cokurag iskusstvennaâminimagnitosferakaksredstvoupravleniâdviženiemkosmičeskogoapparatavionosferezemli
first_indexed	2025-07-15T10:42:35Z
last_indexed	2025-07-15T10:42:35Z
_version_	1837709295564619776
fulltext	60 УДК 533.9 Ю. П. КУЧУГУРНЫЙ, С. Н. КУЛАГИН, С. В. НОСИКОВ, А. Г. ЦОКУР ИСКУССТВЕННАЯ МИНИ-МАГНИТОСФЕРА КАК СРЕДСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА В ИОНОСФЕРЕ ЗЕМЛИ Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины, ул. Лешко-Попеля, 15, 49005, Днепр, Украина; e-mail: yu.kuchugurnyi@gmail.com Для обгрунтування можливості керування рухом космічних апаратів в іоносфері за допомогою пристрою типу «магнітний парус» проаналізовано результати серії експериментальних досліджень взаємодії моделей космічних апаратів з гіперзвуковим потоком розрідженої плазми. Запропоновано ідею експерименту на навколоземній орбіті з використанням мікросупутника CubeSat. Якщо на борту космічного апарата розташувати джерело сильного магнітного поля, то при обтіканні такого «намагніченого» апарата гіперзвуковим потоком розрідженої плазми утворюється неоднорідна плазмова структура, подібна до магнітосфер планет – штучна міні-магнітосфера. При цьому джерелу поля буде передаватися частина імпульсу плазмового потоку; з'являться додаткві сили, що діють на космічний апарат. Цей принцип полягає в основі «магнітного парусу» як нереактивного магнітогідродинамічного двигунового пристрою, що використовує кінетичну енергію «сонячного вітру». На плазмоелектро- динамічному стенді проведено експериментальні дослідження взаємодії моделей космічних апаратів з потоком плазми. Визначено залежності сили опору та підйомної сили, що діють на моделі, від параметрів потоку і магнітного поля. Показано, що штучна міні-магнітосфера може бути ефективним засобом керування рухом космічного апарату в іоносфері Землі. Для проведення експерименту в навколоземному просторі на мікросупутнику встановлюється конструкція з постійних магнітів в оболонці, що екранує магнітне поле. Визначаються зміни орбіти супутника, які відбуваються після зняття екрану, в залежності від параметрів магнітного поля. Цей експеримент був би першою перевіркою концепції «магнітного парусу» як рушія для космічних апаратів. Керування рухом «намагніченого» тіла за рахунок довготермінової взаємодії магнітного поля з іоносферною плазмою може служити ключовим елементом принципово нової технології очистки іоносфери від об'єктів «космічного сміття». Для обоснования возможности управления движением космических аппаратов в ионосфере с помощью устройства типа «магнитный парус» проанализированы результаты серии экспериментальных исследований взаимодействия моделей космических аппаратов с гиперзвуковым потоком разреженной плазмы. Предложена идея эксперимента на околоземной орбите с использованием микроспутника CubeSat. Если на борту космического аппарата поместить источник сильного магнитного поля, то при обтекании такого «намагниченного» аппарата гиперзвуковым потоком разреженной плазмы образуется неоднородная плазменная структура, подобная магнитосферам планет – искусственная мини-магнито- сфера. При этом источнику поля будет передаваться часть импульса плазменного потока; появятся дополнительные силы, действующие на космический аппарат. Этот принцип лежит в основе «магнитного паруса» как нереактивного магнитогидродинамического двигательного устройства, использующего кинетическую энергию «солнечного ветра». На плазмоэлектродинамическом стенде проведены экспериментальные исследования взаимодействия моделей космических аппаратов с потоком плазмы. Определены зависимости силы сопротивления и подъемной силы, действующих на модели, от параметров потока и магнитного поля. Показано, что искусственная мини-магнитосфера может быть эффективным средством управления движением космического аппарата в ионосфере Земли. Для проведения эксперимента в околоземном пространстве на микроспутнике устанавливается конструкция из постоянных магнитов, помещенная в регулируемую оболочку, экранирующую магнитное поле. Определяются изменения орбиты спутника при снятии экрана в зависимости от параметров магнитного поля. Этот эксперимент был бы первой проверкой концепции «магнитного паруса» как движителя для космических аппаратов. Управление движением «намагниченного» тела за счет долговременного силового взаимодействия магнитного поля с ионосферной плазмой может служить ключевым элементом принципиально новой технологии очистки ионосферы от объектов «космического мусора». Based on the results of a series of experimental studies of the interaction of spacecraft models with a hypersonic rarefied plasma flow, this paper demonstrates the possibility of controlling spacecraft motion in the ionosphere with the use of a device of the “magnetic sail” type and proposes an idea of an experiment onboard a CubeSat microsatellite in a near-Earth orbit. If a spacecraft is equipped with a source of a strong magnetic field, then in a hypersonic rarefied plasma flow a nonuniform plasma structure called an artificial mini-magnetosphere, which is similar to a planetary magnetosphere, will form in the vicinity of the spacecraft. In this case, part of the plasma flow momentum will be transferred to the magnetic field source, thus resulting in additional forces acting on the spacecraft. This principle forms the basis for the “magnetic sail” – a jetless magnetohydrodynamic propulsion unit that uses the kinetic energy of the solar wind. Experimental studies of the interaction of spacecraft models with a plasma beam were conducted on a plasmaelectrodynamic setup. The drag and lift acting on the Ю. П. Кучугурный, С. Н. Кулагин, С. В. Носиков, А. Г. Цокур 2018 Техн. механіка. – 2018. – № 2. 61 models were determined as a function of the flow parameters and the magnetic field. It was shown that an artificial mini-magnetosphere may be an effective means of controlling spacecraft motion in the Earth ionosphere. The experiment to be conducted in near-Earth space envisages equipping a microsatellite with permanent magnets encased in a controllable enclosure that shields the magnetic field and determining the satellite orbit variations after removing the shield as a function of the magnetic field parameters. The experiment might be a first verification of the concept of the “magnetic sail” as a spacecraft propulsion unit. Controlling the motion of a “magnetized” body by using the long-term interaction of the body’s magnetic field with the ionospheric plasma may be the key component of a radically new technology for space debris removal from the ionosphere. Ключевые слова: космический аппарат, кубсат, YuzhSat, ионосфера, мини-магнитосфера, плазма, магнитный парус, физическое моделирование, плазмоэлектродинамический стенд. Введение. Факт, что «сильный ветер водорода непрерывно дует в Сол- нечной системе» [1], не мог не привести к идеям использования кинетиче- ской энергии «солнечного ветра» – высокоскоростного потока испускаемых Солнцем заряженных частиц, в основном протонов1 – для ускорения косми- ческих аппаратов (КА). В 1990-х – начале 2000-х годов были предложены концепции «магнитного паруса» (Р. Зубрин [3]), «магнито-плазменного пару- са» (Р. Уингли [4]) и «электрического паруса» (П. Янхунен [5]). В этих уст- ройствах на борту КА размещен (механически связан с ним) источник силь- ного магнитного или, соответственно, электрического поля. Импульс заря- женных частиц плазмы «солнечного ветра», движущихся в этом поле, изме- няется из-за действия силы Лоренца. По закону сохранения импульса проти- воположное по направлению изменение импульса получает источник поля. Поэтому на КА с источником поля в потоке плазмы, кроме аэродинамиче- ских сил, действуют силы электродинамической природы. Нынешний уровень космических технологий недостаточен для создания и использования таких «протонных парусов». Но принципы их функциони- рования могут быть проверены в лабораторных условиях и в околоземном космическом пространстве, а некоторые устройства даже найти полезные применения. Исследования «солнечного ветра» берут начало в опытах К. Биркеланда с моделью магнитного поля Земли «терреллой» ещё в начале двадцатого века; они позволили объяснить некоторые геофизические явления (северное сия- ние), повлияли на изучение солнечно-земных связей и развитие космической электродинамики. Аналогичные исследования продолжаются и в наши дни, принося новые, часто неожиданные, результаты (см. [6]). Взаимодействие солнечного ветра с магнитным полем планет происходит в режиме магнито- гидродинамического (МГД) обтекания плазмой области с магнитным полем; образуется неоднородная пространственная структура – магнитосфера. В ла- бораторных условиях моделировать соответствующие астрофизические яв- ления очень сложно из-за огромного различия пространственных масштабов и скоростей потоков; условия реализации МГД-течения плазмы выполняются лишь частично. Образующуюся качественно подобную планетной магнито- сфере структуру, в которой существенными становятся кинетические эффек- 1 Характерные параметры «солнечного ветра» [2]: полностью ионизированная плазма, состоящая в основном из протонов и небольшого количества ядер гелия (96 % и око- ло 4 %), летящая со скоростью (300 – 1000) км/сек; в области земной орбиты концен- трация ионов (5 – 10)·106 м–3; динамическое давление потока (1 – 6)·10–9 Н/м2; инте- гральный поток «солнечного ветра» составляет порядка 106 тонн протонов в секунду. 62 ты, называют мини-магнитосферой [6, 7]. Режим обтекания с образованием мини-магнитосферы характерен и для взаимодействия плазмы солнечного ветра с магнитным парусом, а также для недавно открытых астрофизических объектов – магнитных аномалий на поверхности Луны (структура «Рейнер Гамма») и магнитосфер астероидов. Идеи нереактивных магнитогидродинамических устройств для летатель- ных аппаратов интенсивно развиваются в ведущих аэрокосмических странах мира. Предложены проекты экспериментальных космических аппаратов с магнитными и электрическими парусами для создания тяги, управления дви- жением, коррекции и изменения параметров орбит; однако полетные испы- тания таких аппаратов ещё не проводились2. В будущем, возможно, исполь- зование энергии плазменных потоков в космосе станет эффективным средст- вом при межпланетных и межзвездных полетах, позволяющим разогнать КА до скорости в десятки–сотни км/сек и затормозить, приблизившись к цели полета. Изменяя параметры магнитного поля, можно достигать эффектов ус- корения, торможения, изменения направления движения аппарата; т. е. полу- чить новый фактор управления КА, не требующий значительных энергетиче- ских затрат, а утилизирующий энергию окружающей среды. Ожидается, что в поле «магнитного паруса» будут иметь место эффекты, аналогичные обра- зованию радиационных поясов около планет, что поможет уменьшить дозу корпускулярных космических излучений и защитить экипаж и приборы меж- планетного КА от радиационных повреждений [8]. Аналогичное «магнитно- му парусу» устройство на спускаемом аппарате в атмосфере – «магнитный парашют» – взаимодействует с потоком плазмы за ударной волной около но- совой части аппарата. При движении в плотных слоях атмосферы существен- но увеличится тормозящая сила и снизится конвективный тепловой поток к корпусу аппарата (см. [9]). Совершенно аналогичные процессы взаимодействия потока плазмы с ис- точником сильного магнитного поля на борту КА следует ожидать и при движении в ионосфере; однако параметры плазмы в ионосфере [2] сущест- венно отличаются от плазмы «солнечного ветра». Ионосферная плазма на высотах (400 – 1500) км в основном состоит из однократно ионизированных кислорода и азота, выше 1200 км начинают преобладать ионы водорода. Плотность плазмы значительно выше, чем в солнечном ветре; на этих высо- тах концентрации ионов и электронов  ei NN (1012 – 109) м–3, нейтральных атомов nN (1013 – 1011) м–3. Скорость потока плазмы относительно КА бу- дет определяться его орбитальной скоростью, меньшей на два порядка, чем скорость солнечного ветра. Возможно только движение с торможением (т. е. режим «магнитного парашюта»), а также изменение направления движения аппарата без увеличения его кинетической энергии. Целью настоящей работы является обоснование возможности управле- ния движением космических аппаратов в ионосфере с помощью системы ти- па «магнитный парус». Обоснование базируется на результатах исследований, проведенных на плазмоэлектродинамическом стенде Института технической механики Нацио- нальной академии наук Украины и Государственного космического агентства 2 В 2013 году предпринимались попытки испытаний «электрического паруса» на спутнике ESTCube-1; эксперимент был неудачным: парус не раскрылся. 63 Украины (ИТМ НАНУ и ГКАУ) [9 – 12], в которых воспроизводились условия функционирования КА в ионосфере. Изучались процессы обтекания «намагни- ченных» (т. е. имеющих собственный источник магнитного поля) моделей КА гиперзвуковым потоком разреженной плазмы, при которых около модели фор- мируется течение с неоднородной структурой и мини-магнитосфера. Были сде- ланы оценки дополнительных сил, действующих на КА с бортовыми источни- ками магнитного поля на высотах до 1000 км, и разработаны предложения по проведению эксперимента на околоземной орбите в ионосфере [13, 14]. Долговременное силовое воздействие, обусловленное взаимодействием магнитного поля с ионосферной плазмой, может быть использовано для из- менения орбит космических тел как ключевой элемент принципиально новой технологии очистки околоземного космического пространства от крупных объектов «космического мусора» [15]. Результаты экспериментальных исследований. Поток разреженной плазмы создавался при помощи газоразрядного плазменного ускорителя. Ис- пользовались различные плазмообразующие газы: водород, кислород, азот; далее приведены данные для азота. Обеспечивались следующие параметры плазменного потока: газокинетическое давление в струе плазмы 4·10–3 Н/м2; степень диссоциации молекулярного азота 6,0n ; степень ионизации ато- мов 1,001,0  i ; концентрация ионов (и равная ей концентрация электро- нов) 1615 1010  iN м–3; направленные скорости ионов 287  iU км/сек, нейтральных компонентов 6,0nU км/сек; температуры электронов, ионов и нейтральных атомов 2,6 эВ, 0,52 эВ и 0,18 эВ, их тепловые скорости 1,2·106 м/сек, 3,3·103 м/сек и 1,9·103 м/сек соответственно. Моделями косми- ческих аппаратов служили сферы радиусом Wr (4 – 5) см из диэлектриче- ского материала; внутри сфер размещались источники магнитного поля – по- стоянные магниты или соленоиды. Изменением силы тока в соленоиде маг- нитный момент dM менялся в пределах от 2 А·м2 до 450 А·м2. Индукция магнитного поля вблизи поверхности сферы приближенно соответствует по- лю магнитного диполя, расположенному в центре сферы, с магнитным мо- ментом  dM;0;0M , направленным вдоль оси соленоида. В зависимости от расстояния от диполя R и угла  от направления магнитного момента вектор индукции    1cos3;0;cossin3 4 ;; 2 3 0     R MBBB d zyxdB , где 7 0 104   Гн/м – магнитная постоянная, в фигурных скобках – декартовы компоненты вектора. Удобно характеризовать поле максимальным (измерен- ным) значением индукции магнитного поля на поверхности сферы WB . Безразмерный параметр, характеризующий течение dBw PP – отношение магнитного давления на поверхности сферы,  0 2 2WBw BP  , к динамическому давлению потока, 22 iid UP  , где ipii NmA – плотность вещества в потоке плазмы, движущегося со скоростью iU , iA – атомная масса иона, 271066,1 pm кг – атомная единица массы. Из-за большого различия масс элек- тронов и атомарных компонентов плазмы и скоростей ионов и атомов динамиче- 64 ское давление потока в основном определяется ионной компонентой и состав- ляет 13 101,1102,1   dP Н/м2. На рис. 1 приведены фотографии обтекания плазмой модели без магнит- ного поля (а)) и с магнитным полем (б), в), г)) при различных ориентациях вектора магнитного момента (обозначенного белой стрелкой). а) б) в) г) 3315 108,4см,5,25,м109,6км/с,28,3   dBwWii PPrNU Расстояние между срезом плазменного ускорителя и моделью КА 60 см Рис. 1 Магнитное поле качественно меняет картину течения. Наблюдаемое све- чение в видимом спектре вызвано ударным возбуждением атомов газа при столкновениях с ионами плазменного потока, поэтому по интенсивности све- чения можно судить о плотности ионов и темпе столкновений. На фотогра- фиях (рис. 1,б),-г)) видна головная ударная волна, темные области – полости, куда не проникает плазма – и ярко светящиеся области, примыкающие к по- люсам источника магнитного поля – каспы. Расположение каспов и полостей меняется при повороте вектора магнитного момента. Такая неоднородная структура, возникающая при включении магнитного поля и перестраиваю- щаяся при его изменении, называется мини-магнитосферой. На неподвижное сферически симметричное тело в осесимметричном по- токе газа или плазмы (рис. 1,а)) действует аэродинамическая сила лобового сопротивления xF .; при нарушении симметрии включением магнитного поля (рис. 1,б)-г)) появляется подъемная сила yF . Эти силы, действующие на мо- дель КА, измерялись с помощью аэродинамических весов; затем определя- лись аэродинамические коэффициенты,  gdaa SPFc  (здесь индекс a при- нимает значения x или y , gS – площадь поперечного сечения тела), в зави- симости от параметров плазменного потока (скорости iU и концентрации ионов iN ), индукции магнитного поля на поверхности модели WB , угла  между векторами магнитного момента M и скорости iU . На рис. 2 и рис. 3 представлены полученные экспериментальные данные. На рис. 2 показана зависимость коэффициента лобового сопротивления xc от параметра dBw PP – отношения максимального магнитного давления на по- верхности модели к динамическому давлению плазменного потока. Ось ор- динат – отношение значений коэффициента лобового сопротивления при на- личии магнитного поля и без него (равного 2 при бесстолкновительном обте- кании сферы гиперзвуковым потоком). Коэффициенты для модели без маг- нитного поля обозначены индексом «0». На рис. 3 показаны зависимости ко- эффициентов лобового сопротивления и подъемной силы xc , yc для модели с магнитным полем от угла  между векторами магнитного момента и ско- рости. Полученные значения коэффициента сопротивления хорошо согласу- 65 ются с результатами расчетов из работы [16], где получены значения в пре- делах 3,4 – 3,7 для условий, соответствующих проведенным экспериментам. 315м104км/с,11,5см,4,351  iiw NUr 315м102км/с,15,6см,5,252  iiw NUr 315м106,9км/с,,382см,5,253  iiw NUr Рис. 2 Рис. 3 При обтекании сферической ненамагниченной модели сила направлена по оси потока вдоль вектора скорости. С увеличением магнитного поля, со- ответственно и магнитного давления, коэффициент лобового сопротивления 66 намагниченной модели быстро растет, т. е. происходит эффективное тормо- жение модели в набегающем плазменном потоке. Обозначив безразмерные зависимости аэродинамических коэффициентов yx cc , , показанные на рис. 2 и рис. 3, от соответствующих аргументов как  dBwxP PPf ,  xf и  yf , силы, действующие на модель КА при движении в ионосфере, составят:    xdBwxPxdgx fPPfcPSF 0 – сила сопротивления,  ydgy cPSF  – подъёмная сила. В зависимости от ориентации диполя появляются компонен- ты сил в перпендикулярном направлении; это дает возможность управлять движением тела. Таким образом, экспериментально обоснована возможность управления движением КА с искусственной мини-магнитосферой в потоке ионосферной плазмы. Граница магнитосферы – магнитопауза – это (относительно) тонкий пе- реходный слой, в котором устанавливается баланс динамического давления в потоке плазмы, 22 iid UP  , и давления магнитного поля, 0 2 2MPM BP  , где MPB – индукция магнитного поля на магнитопаузе. Толщина этого слоя может быть оценена как peMP c   [17] (где 0 2  eeepe mqN – электрон- ная плазменная частота, c – скорость света, ee mq , – заряд и масса электрона, 12 0 1085,8  Ф/м – электрическая постоянная) и составляет 5,4 см для па- раметров плазмы, указанных на рис. 1. Магнитное поле можно приближенно считать полем диполя с магнитным моментом  dM;0;0M , индукция поля быстро убывает с расстоянием как 3R . На магнитопаузе индукция магнит- ного поля удваивается [17, 18],  MPdMP LBB 2 ; этот эффект имеет место для поля около неограниченной плоской идеально проводящей поверхности; чтобы учесть отличия от идеального случая, вводится коэффициент  (по- рядка единицы). Давление потока частиц на магнитопаузе будет равно 2 iiU ; коэффициент  введен для учёта отличий условий передачи им- пульса от случая столкновения с идеально отражающей частицы плоской по- верхностью, при котором 1 , при неупругом столкновении 5,0 . Из баланса давлений определяется характерный размер магнитосферы [17, 18] (радиус Чепмена – Ферраро)   61 22 2 0 2 2          iipi d MP UNmA ML     . Для типичных условий эксперимента, соответствующих указанным на рис. 1 (магнитный момент 50 А·м2, скорость потока 28,3 км/сек и концентра- ция ионов азота 9,6·1015 м–3), около модели КА образуется мини- магнитосфера с радиусом 0,38 м. Это сравнимо с размером темной зоны на рис. 1. Магнитное поле на магнитопаузе в экваториальном сечении ( 2  ) iid MP MP UP L MB     003 0 222 4 2  . Поле в пределах магнитопаузы быстро убывает от MPB до значений порядка фонового поля на бесконечном удалении от источника. О возможности проведения эксперимента в космосе. Проведенные исследования свидетельствуют о возможности постановки соответствующих 67 экспериментов в космосе на базе спутников класса CubeSat, например микро- спутниковой платформы YuzhSat [19]. По результатам проведенных исследо- ваний были разработаны предложения3, представленные в докладе [13]; рас- смотрим эти вопросы более детально. Цель эксперимента: проверить идею создания в ионосфере вокруг спут- ника магнитогидродинамической структуры – мини-магнитосферы, опреде- лить параметры сил, возникающих вследствие отклонения мини-магнито- сферой заряженных частиц в потоке ионосферной плазмы, и показать воз- можность целенаправленного изменения орбиты спутника благодаря такому взаимодействию. Имеется прямая аналогия с «магнитным парусом», отличия состоят в параметрах плазменного потока в ионосфере и «солнечного ветра» в межпланетном пространстве, в размерах устройств и размерах создаваемой мини-магнитосферы. Спутник в ионосфере на высотах до (1000 – 1200) км взаимодействует с потоком слабоионизированной плазмы, состоящей в основном из ионов азота и кислорода; концентрация ионов составляет (109 – 1011) м–3; скорость набе- гающего плазменного потока определяется орбитальной скоростью спутника. В базовой конструкции спутника уже предусмотрены аппаратура для оп- ределения параметров орбиты и ориентации осей спутника и система переда- чи телеметрической информации. Дополнительно желательно установить акселерометры для измерения ускорений в ортогональных направлениях и комплекты зондов для измерения параметров плазмы около поверхности спутника (внутри мини-магнитосферы) и на некотором фиксированном рас- стоянии (в не возмущенном магнитным полем набегающем потоке плазмы), что позволит существенно расширить программу исследований. На борту спутника размещается управляемый источник достаточно сильного магнитного поля в виде конструкции с постоянными магнитами из современных магнитных материалов (в минимальном варианте с одним маг- нитом). Система управления полем состоит из магнитного экрана, позво- ляющего включить и выключить магнитное поле, и поворотной системы для изменения направления вектора магнитного момента. В качестве источника магнитного поля – в минимальном варианте – мо- жет быть выбран дисковый постоянный магнит из материала «неодим- железо-бор» (NdFeB); класс осевой намагниченности и тип исполнения 38EN – 42EN. Такой магнит работоспособен в жестких условиях эксплуатации – при повышенных температурах и сильных вибрациях. Изделие диаметром 70 мм и толщиной 60 мм имеет массу около 1,7 кг. Индукция магнитного по- ля на полюсной поверхности магнита (0,4 – 0,5) Тл. Дипольный магнитный момент составляет около 200 А·м2. Как вариант конструктивного решения может рассматриваться сборка из кольцевых постоянных магнитов, обрам- ленных полюсными наконечниками. Магниты помещаются внутри магнитного экрана из многослойного ма- териала с низкой остаточной намагниченностью (магнито-мягкие металлы: пермаллой, мю-металл), в котором жестко крепятся диэлектрическим компа- ундом. Торцевые части экрана разъемные, состоящие из нескольких лепест- ков; для включения и выключения источника магнитного поля лепестки 3 Предложения по эксперименту заняли третье место в конкурсе проектов полезной нагрузки платформы YuzhSat. 68 группой электромагнитов синхронно перемещаются и фиксируются в конеч- ном положении или возвращаются в исходное положение. Масса двуслойной экранирующей оболочки такой конструкции составляет порядка 5 кг. Много- слойный магнитный экран необходим для управления магнитным полем и для уменьшения действия поля на другие системы и приборы спутника. От- метим, что любой выбранный источник поля имеет магнитный момент, су- щественно превышающий предельные величины для чувствительной изме- рительной аппаратуры и других устройств: для их корректной работы обыч- но проводят процедуры снижения магнитных полей и размагничивания кон- струкций спутников до значений суммарного магнитного момента в едини- цы – десятки единиц мА·м2 против требуемых для проведения эксперимента минимальных значений (100 – 200) А·м2. Поэтому для проведения экспери- мента желательно использовать специализированный микроспутник с мини- мальным комплектом дополнительного оборудования. Независимыми переменными управления являются углы ориентации вектора магнитного момента относительно продольной оси спутника и, соот- ветственно, относительно вектора скорости течения плазмы. Углы могут из- меняться пассивно – из-за собственного вращения спутника – или задаваться специальным дополнительным механизмом поворота платформы с установ- ленными магнитами на заданный угол (например, несколько дискретных по- ложений). Снимаются данные об углах ориентации осей спутника и углах ориентации оси магнитной системы (диполя) относительно спутника в зави- симости от времени. Аппаратура требует дополнительного электрического питания только в импульсном режиме для включения электромагнитов, управляющих крыш- ками магнитного экрана, и для устройства, меняющего углы ориентации (на- пример, шагового электродвигателя). Наземная часть эксперимента состоит в испытании натурного образца спутника YuzhSat с комплектом аппаратуры на плазмоэлектродинамическом стенде. Условия стенда позволяют моделировать практически все факторы космического пространства, существенные для проведения эксперимента. Космическая часть эксперимента состоит из двух фаз: первая фаза про- водится на стационарной орбите, вторая – при спуске и сгорании спутника в плотных слоях атмосферы. Первая фаза эксперимента проводится на постоянной орбите высотой (600 – 1000) км в ионосфере Земли; детальные параметры орбиты должны быть известны, но несущественны. Мини-магнитосфера включается и вы- ключается путем сдвига крышек магнитного экрана. Контролировать изме- нение орбиты предлагается по накоплению отклонения координат спутника за большой промежуток времени в сравнении с расчетными данными и дан- ными за предыдущие такие же промежутки времени, но с выключенной ми- ни-магнитосферой. Данные акселерометров позволяют учитывать мгновен- ные значения вариаций ускорения, вызванных рассеянием ионов мини- магнитосферой. В настоящее время обсуждаются идеи создания кластеров микроспутников на базе платформы YuzhSat. Разместив в кластере специали- зированный спутник с источником магнитного поля, можно было бы контро- лировать вариации орбиты по выходу спутника из группировки. Вторая фаза эксперимента фактически состоит в уничтожении отрабо- тавшего спутника; она проводится после завершения всех других запланиро- 69 ванных экспериментов на стадии спуска и сгорания в атмосфере: исследуется увод спутника на более низкую орбиту (порядка 300 км) и определяется до- полнительное торможение в атмосфере. Определяется время перехода между орбитами; ожидается его уменьшение при включенном магнитном поле. Эта фаза эксперимента моделирует процедуру увода с орбиты объектов космиче- ского мусора [15]. При торможении в плотных слоях атмосферы набегающий поток газа гораздо более плотный, чем в ионосфере, его степень ионизации мала. Около спутника формируется ударная волна, в которой происходит ионизация газа. Магнитное поле спутника взаимодействует с дозвуковым потоком ионизо- ванного газа за ударной волной, изменяя структуру течения. В этом случае также возникает дополнительная сила сопротивления, а также уменьшается тепловой поток к поверхности аппарата. Провести прямые измерения на этой стадии полета сложно, т. к. действуют многие неконтролируемые факторы. Заключение. Искусственная мини-магнитосфера может быть эффектив- ным средством управления движением КА в ионосфере за счет магнитогид- родинамического взаимодействия в системе «плазма – магнитное поле». Этот вывод основан на результатах проведенных экспериментальных исследова- ний, в которых были определены зависимости действующих на модели кос- мических аппаратов силы сопротивления и подъемной силы от параметров источника магнитного поля и набегающего потока разреженной плазмы. Для создания мини-магнитосферы на борту КА должен быть установлен источник сильного постоянного магнитного поля, например конструкция из постоянных магнитов, помещенная в оболочку, экранирующую магнитное поле. Работа такой системы не предполагает существенных дополнительных энергозатрат. Проблемным является вопрос электромагнитной совместимо- сти источника магнитного поля и другой бортовой электронной аппаратуры. Предложена идея эксперимента на околоземной орбите с использовани- ем относительно дешевого и доступного микроспутника «кубсат». Анализ результатов исследований, проведенных на стенде, дает основание ожидать положительных результатов космического эксперимента. Предлагаемый эксперимент был бы первой проверкой концепции «маг- нитного паруса» как движителя для космических аппаратов. На существующем оборудовании – плазмоэлектродинамическом стенде ИТМ НАНУ и ГКАУ – возможно проведение комплексных испытаний мик- роспутников. Управление движением КА за счет долговременного силового взаимо- действия магнитного поля с ионосферной плазмой может рассматриваться как ключевой элемент принципиально новой технологии очистки околозем- ного космического пространства от объектов «космического мусора». 1. Паркер Е. Солнечный ветер. Успехи физических наук. 1964. Т. 84, № 1. С. 169–182. 2. Модель Космоса. В 2 т. Т. 1 Физические условия в космическом пространстве / Ред. М. И. Панасюк, Л. С. Новиков. – 8-е изд. – Москва: Книжн. Дом Университет, 2007. – 872 с. 3. Zubrin R. M. Andrews D. G. Magnetic Sails and Interplanetary Travel. Journal of Spacecraft and Rockets. 1991. V. 28, N. 2. P. 197–203. 4. Winglee R. M., Slough J., Ziemba T., Goodson A. Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion: Tapping the en- ergy of the solar wind for spacecraft propulsion. Journal of Geophysical Research. 2000. V. 105, N. A9. P. 21067–21077. 5. Janhunen P. Electric Sail for Spacecraft Propulsion. Journal of Propulsion and Power. 2004. V. 20, N. 4. P. 763–764. 70 6. Антонов В. М. и др. Лабораторные эксперименты с терреллой: влияние кинетических масштабов на физическое подобие планетарным магнитосферам // Современные достижения в плазменной гелиогео- физике / Ред. Л. М. Зеленый, А. А. Петрукович , И. С. Веселовский. Москва: Институт космических ис- следований РАН, 2016. 672 с. C. 383–406. 7. Bamford R., Gibson K. J., Thornton A. J., Bradford J. et al. The interaction of a flowing plasma with a dipole magnetic field: measurements and modelling of a diamagnetic cavity relevant to spacecraft protection. Plasma Phys. Control. Fusion. 2008. V. 50, N. 12. Art. 124025 (11pp). 8. Битюрин В. А., Бочаров А. Н. О наземных МГД-экспериментах в гиперзвуковых потоках. Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48, В. 6. С. 916–923. 9. Shuvalov V. A., Tokmak N. A., Pis’mennyi N. I., Kochubei G. S. Control of the Dynamic Interaction of a “Mag- netized” Sphere with a Hypersonic Flow of Rarefied Plasma. High Temperature. 2015. V. 53, N. 4. Р. 463– 469. Русск. перев.: Шувалов В. А., Токмак Н. А., Письменный Н. И., Кочубей Г. С. Управление динами- ческим взаимодействием “намагниченной” сферы с гиперзвуковым потоком разреженной плазмы. Теп- лофизика высоких температур. 2015. Т. 53, № 4. С. 487–493. 10. Shuvalov V. A., Tokmak N. A., Pis’mennyi N. I., Kochubei G. S. Dynamic interaction of a magnetized solid body with a rarefied plasma flow. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2016. V 57, N. 1. P. 145–152. Русск. перев.: Шувалов В. А., Токмак Н. А., Письменный Н. И., Кочубей Г. С. Динамическое взаимодействие твердого намагниченного тела с потоком разреженной плазмы. Прикладная механика и техническая физика. 2016. Т. 57, № 1. С. 167–175. 11. Шувалов В. А., Кочубей Г. С., Лазученков Д. Н. Взаимодействие космических аппаратов с потоками плазмы и электромагнитного излучения в атмосфере Земли. Техническая механика. 2015. № 4. С. 117– 125. 12. Шувалов В. А., Кулагин С. Н., Кочубей Г. С., Токмак А. А. Физическое моделирование эффектов взаи- модействия «намагниченных» тел с атмосферой Земли в гиперзвуковом потоке разряженной плазмы. Теплофизика высоких температур. 2012. Т. 50, № 3. С. 337–345. 13. Токмак Н. А., Кучугурный Ю. П., Кочубей Г. С., Цокур А. Г. Мини-магнитосфера как средство управ- ления космическим аппаратом в ионосфере Земли. 17 Українська конференція з космічних досліджень, (Одеса, 21–25 серпня 2017 р.). Тези допов. Київ: ІКІ НАНУ і ДКАУ, 2017. 232 с. С. 223. 14. Шувалов В. А., Кучугурный Ю. П. Экспериментальное обоснование концепции искусственной мини- магнитосферы как средства управления движением космических аппаратов в ионосфере Земли. Космич. наука и технология. 2018. Т. 24, № 2. С. 43–46. 15. Шувалов В. А., Горев Н. Б., Кулагин С. Н., Кучугурный Ю. П. Торможение объекта «космического му- сора» с помощью собственного магнитного поля в ионосфере земли. Физическое моделирование. Кос- мические исследования. – (в печати). 16. Fujita K. Particle simulation of moderately-sized magnetic sail. Journal of Space Technology Science. 2004. V. 20, N. 2. P. 26–31. 17. Нишида А. Геомагнитный диагноз магнитосферы. Москва: Мир, 1980. 302 с. 18. Акасофу С. И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. В 2 ч., Ч. 2. Москва: Мир, 1975. 512 с. 19. Технічні характеристики мікросупутникової платформи YuzhSat. Положення про порядок конкурсного відбору проектів корисного навантаження платформи YuzhSat. 2017. С. 3–5. URL: http://space-conf.ikd.kiev.ua/conference/info (Конкурс №2). Получено 21.05.2018, в окончательном варианте 19.06.2018

Искусственная мини-магнитосфера как средство управления движением космического аппарата в ионосфере Земли

Institution

Similar Items