Ανάπτυξη μεθόδων μαγνητικής καθαρότητας σε διαστημικές αποστολές για στατικά και χαμηλής συχνότητας μαγνητικά πεδία
Authors: Σπαντιδέας Σωτήριος 
Published: September 2021

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, προσδιορίζονται και διερευνώνται ειδικά θέματα στο πλαίσιο των εφαρμογών της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας και παρεμβολής. Συγκεκριμένα, ο στόχος είναι η ανάπτυξη διαφόρων μεθόδων και τεχνικών για την επίτευξη μαγνητικής καθαρότητας σε διαστημικές αποστολές που περιλαμβάνουν μονάδες ή όργανα ευαίσθητα σε μαγνητικά πεδία. Για το σκοπό αυτό, μελετώνται και αναπτύσσονται μέθοδοι για την πρόβλεψη πολλαπλών μαγνητικών διπόλων από μετρήσεις του μαγνητικού πεδίου μιας συσκευής υπό εξέταση. Οι μέθοδοι επαληθεύονται και επιβεβαιώνονται με προσομοιωμένες και πραγματικές μετρήσεις από πηγές με γνωστή μαγνητική συμπεριφορά. Ο σκοπός της ανάλυσης αυτής είναι η παραγωγή ισοδύναμων μαγνητικών μοντέλων για όλα τα υποσυστήματα του διαστημικού οχήματος και η εκτίμηση των κατανεμημένων μαγνητικών διπόλων και τετραπόλων που αντιπροσωπεύουν το μακρινό μαγνητικό τους πεδίο. Αρχικά, δίνεται μια εισαγωγή στην έννοια της μαγνητικής καθαρότητας, εστιάζοντας σε υπάρχουσες σύγχρονες μεθόδους πρόβλεψης μαγνητικών πηγών από μετρήσεις κοντινού πεδίου καθώς και στον εξοπλισμό, στις εγκαταστάσεις και στη μεθοδολογία που χρησιμοποιούνται για την διεξαγωγή των μαγνητικών μετρήσεων πάνω στη Γη. Έπειτα, περιγράφονται οι βασικές αρχές ηλεκτρομαγνητισμού και το μαθηματικό υπόβαθρο που στηρίζει την παρούσα ανάλυση, προσδιορίζοντας τους περιορισμούς στην προσέγγιση των πιθανών μαγνητικών πηγών με πολλαπλά μαγνητικά δίπολα. Η εξάρτηση του παραγόμενου μαγνητικού πεδίου από τις παραμέτρους των μαγνητικών βρόχων που είναι τοποθετημένοι μέσα σε μια συσκευή μελετάται εκτενώς. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται η στοχαστική μέθοδος βελτιστοποίησης σμήνους σωματιδίων (PSO) και η εφαρμογή της στο πρόβλημα πρόβλεψης πολλαπλών μαγνητικών διπόλων από μετρήσεις σταθερού μαγνητικού πεδίου. Η μελέτη διαφόρων διατάξεων μέτρησης πολλαπλών μαγνητομέτρων για τη λήψη ενός στιγμιότυπου της μαγνητικής υπογραφής μιας συσκευής υπό εξέταση διεξάγεται και παρουσιάζεται στο κεφάλαιο 4. Η μελέτη περιλαμβάνει τη βελτιστοποίηση του αριθμού των μαγνητομέτρων, καθώς και των θέσεων των αισθητήρων γύρω από τη συσκευή, προκειμένου να αυξηθεί η επαναληψιμότητα των αποτελεσμάτων πρόβλεψης και να εξαλειφθεί η αβεβαιότητα των περιβαλλοντικών μεταβολών κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μέτρησης, ενισχύοντας έτσι σημαντικά την ακρίβεια των μετρήσεων και των εκτιμώμενων μοντέλων. Στο κεφάλαιο 5, η κατασκευή μιας πρωτοτύπης Εγκατάστασης Πολλαπλών Μαγνητομέτρων (Multi Magnetometer Facility) αποτελούμενης από 12 μαγνητόμετρα τύπου Fluxgate, η οποία βασίζεται στην παραπάνω μελέτη, επαληθεύεται με πραγματικές μετρήσεις από πηγές με γνωστή μαγνητική υπογραφή. Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται μια αποτελεσματική μέθοδος για την ακριβή πρόβλεψη της μαγνητικής συμπεριφοράς μιας συσκευής σε απομακρυσμένα σημεία, αποτρέποντας την υπερεκτίμηση ή υποεκτίμηση του μαγνητικού πεδίου στη θέση των μαγνητομέτρων και επιτρέποντας τον προσδιορισμό μαγνητικά καθαρών σημείων κοντά στο διαστημικό σκάφος, όπου ο ευαίσθητος εξοπλισμός μέτρησης μπορεί να τοποθετηθεί με ασφάλεια. Η τεχνική αυτή είναι πολύ χρήσιμη για την ακριβή πρόβλεψη της μαγνητικής υπογραφής σύνθετων συσκευών που αποτελούνται από πολλές μαγνητικές πηγές. Τέλος, στο κεφάλαιο 7 οι καθιερωμένες τεχνικές για τις μεθόδους μαγνητικής καθαρότητας σταθερών μαγνητικών πεδίων επεκτείνονται για να καλύψουν τις απαιτήσεις μαγνητικής καθαρότητας αργά μεταβαλλόμενων πεδίων σε επίπεδο μονάδας και συστήματος. Επιπροσθέτως, στο κεφάλαιο 8 η μέθοδος επαληθεύεται με πραγματικές μετρήσεις μιας χαμηλόσυχνης πηγής με γνωστή μαγνητική συμπεριφορά (πηνίο τροφοδοτούμενο από ρεύμα).