РЕГУЛЯТОР ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
SPACE VEHICLE ELECTRICATION REGULATOR

Изобретение относится к области электротехники, в частности к области космической техники, и может быть использовано для эмиссии электронов (статических зарядов) с элементов внешних поверхностей конструкции космического аппарата (КА).
Технической проблемой при эксплуатации КА является электрическая поверхностная и объемная зарядка конструкционных материалов его поверхностей. В результате взаимодействия КА с окружающей космической плазмой его конструкция приобретает отрицательный заряд, обусловленный поступлением на поверхность КА электронов космической плазмы. Параметры плазмы для наихудшего случая зарядки на геостационарной орбите имеют значения (Λ):
-3
- концентрация электронов 1,12 см;
4
- средняя энергия электронов 1,20⋅10эВ;
+
-3
- концентрация ионов (в основном Н) 0,236 см;
4
- средняя энергия ионов 2,95⋅10эВ.
Заряд поверхностей КА будет увеличиваться в условиях возникновения в магнитосфере геомагнитных бурь, когда концентрация электронов с энергией порядка 20 кэВ, вносящих основной вклад в заряд поверхностей КА, увеличивается в несколько раз.
+
Вследствие сложной геометрии поверхностей КА, различия в освещенности и в электрофизических параметрах различных фрагментов поверхностей, возникает принципиальное неравномерное распределение заряда (дифференциальная зарядка) на поверхностях КА, взаимодействующих с окружающей средой (электроны) и также неравномерная объемная зарядка конструкционных материалов (ионы, в подавляющей концентрации Н солнечного ветра). Определенное влияние будет оказывать и плазма, создаваемая при работе двигательных установок.
Следствием возникновения дифференциальной зарядки КА является возникновение электростатического разряда (ЭСР).  Его характеристики:
- ток в разрядном импульсе 100 А;
-7
-6
- длительность разрядного импульса 10 – 10 c;
- энергия в разрядном импульсе 0,2 Дж;
- напряжение разрядного импульса 20 кВ;
- частота разрядов 10 Гц.
Количество непроводящих элементов подсистем следует сводить к минимуму. Обязательно экранирование кабельных сборок и блоков.
Считается, что большие общие статические заряды на поверхности и под поверхностью КА в условиях космоса – неизбежная проблема. Ее можно опосредовано минимизировать, грамотно занимаясь профилактикой ЭСР (экранирование, металлизация, выбор поверхностных материалов, установка фильтров помехозащищенности, «заземление», то есть организация гальванических связей на корпус КА). Абсолютная сумма носителей электрических зарядов при этом не будет превышать определенного для характеристики окружающей среды (Λ) уровня. Со временем та же космическая плазма способствует компенсации поверхностных зарядов (взаимодействие ионов плазмы и статических электронов), а накопление объемного положительного заряда способствует отторжению вновь внедряющихся в тело КА положительных ионов космической плазмы. Однако практика профилактики электрических пробоев не всегда срабатывает на длительных сроках существования КА. Принудительно минимизировать сумму носителей отрицательных электрических зарядов – значит напрямую уменьшать дифференциальную зарядку. Управлять процессом нейтрализации (деэлектризации) корпуса КА выгоднее и безопаснее, чем просто наблюдать за ним, без возможности вмешательства в этот процесс.
При производстве КА существуют требования по профилактике ЭСР и сохранению работоспособности бортовой аппаратуры служебных систем и полезной нагрузки, позволяющие минимизировать воздействие ЭСР:
- все материалы, применяемые на поверхностях, контактирующих с внешней средой, должны быть отработаны на электризуемость и удовлетворять требованиям по стойкости к воздействию факторов электризации и по влиянию на ухудшение помеховой обстановки (в электронных цепях);
- экранирование (сетки Фарадея) кабельных сборок и блоков должно быть произведено в соответствии с требованиями руководящих технических материалов;
- корпуса блоков и сборок, расположенных снаружи КА, должны быть выполнены из проводящих материалов;
- кабельные сборки должны быть металлизированы;
- проводящие элементы конструкции должны быть металлизированы, количество непроводящих элементов на внешних поверхностях должно быть сведено к минимуму;
- кабельная сеть, расположенная снаружи КА, должна быть выполнена экранированной; на блочные и кабельные части соединителей кабельной системы должны быть установлены экранирующие корпуса, образующие непрерывный экран с корпусами внешних блоков и корпусом КА с одной стороны и с экранами кабельных стволов с другой стороны;
- цепи управления не должны иметь гальванической связи с корпусом;
- датчиковая аппаратура, включая кабели, должна быть экранирована;
- с целью защиты электронных сетей и КА в целом от статической разности потенциалов, наводимой между шинами питания и корпусом, необходима установка фильтра.
Все эти требования - стандартный комплекс мероприятий по обеспечению электростатической защиты (СКМОЭЗ) на КА. Эти требования  сводятся к двум, имеющим свойства обобщающих и обязательных признаков: экранирование, то есть недопущение статических зарядов за экраны, и заземление, или, при невозможности такового - создание надежной системы гальванических связей элементов конструкции внутри всего КА с проводящим корпусом КА.
К активным способам диэлектризации КА относятся, например, следующие изобретения.
Известен способ защиты КА от статического электричества и устройство для его осуществления (RU 2612474 C1, МПК B64G1/52, B64G1/50), в части способа включающий в себя металлизацию всех агрегатов, аппаратуры и корпуса КА, а также сбор, измерение, перевод в тепловую энергию накопленного поверхностного заряда и рассеивание ее в космическом пространстве, характеризующееся тем, что аппаратуру служебных систем металлизируют на шину, а комплекс целевой и/или научной аппаратуры – на другую шину, выводимые на корпуса двух частей КА, изолированных друг от друга токонепроводящей фермой, причем обе шины присоединяют к обкладкам электрического конденсатора большой емкости, разряжаемого автоматически по достижении определенной разности потенциалов по команде от системы управления на омическое сопротивление с выделением на поверхности последнего тепла, которое отводят через радиатор-охладитель в окружающее пространство.
Аналог имеет недостатки:
1. Незачем разбивать всю аппаратуру на две неравноценные группы: модули служебных систем, с одной стороны, и целевую и научную аппаратуру – с другой стороны. Вряд ли это реально возможно, поскольку аппаратура на борту КА размещается компактно, что является одной из причин сокращения массы КА. Решение надо находить в оптимизации расстановки бортовой аппаратуры на две изолированные друг от друга шины совершенно произвольного исполнения без резких изгибов;
2. В окружающее пространство отводят электромагнитную энергию – тепло, тем самым максимально возможно выравнивая электрические потенциалы по всей поверхности и внутренней структуре КА. Это со временем приводит однозначно к более частому появлению ЭСР, так как постепенно повышается плотность статических зарядов и плотность конвекционных токов внутри КА, причиной  которых является солнечное освещение и солнечный ветер. А надо бы отводить статические электроны. Выверенная работа по отводу статических электронов гарантирует полное отсутствие ЭСР на КА в течение всего срока его активного существования.
Но, принимая эти недостатки, способ и соответствующее ему устройство промышленно применимы, и их следовало бы использовать при проектировании новых КА, поскольку это шаг вперед по сравнению с только СКМОЭЗ.
Известен способ регулирования электризации КА и устройство для его осуществления (RU 2020776 C1, МПК Н05F3/04), в части устройства (с приемлемым разъяснением способа) содержащий датчики контроля уровня электризации фрагментов поверхности аппарата и нейтрализаторы в виде ионно-плазменных двигателей (ИПД) с системами электропитания, управления и подачи рабочего вещества в камеры двигателей, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности регулирования при снижении уровня динамических и электромагнитных помех, на нейтрализуемых фрагментах установлены по крайней мере два сопряженных датчика уровня электризации и одна пара ИПД с симметрично соосно ориентированными встречно или противоположно выходными соплами, при этом каналы подачи рабочего вещества в камеры двигателей и цепи электропитания и управления двигателями выполнены сопряженными, при этом последние соединены с общим блоком управления, выходы которого соединены с сопряженными датчиками контроля уровней нейтрализации фрагментов.
По сигналам датчиков генерируют два встречно или противоположно направленных потока с взаимной компенсацией их реактивного силового воздействия на КА, что создает у нейтрализуемой поверхности искусственную внешнюю собственную атмосферу, которая парирует воздействие электронных потоков и препятствует возрастанию потенциалов на отдельных участках, благодаря их разрядке через прилегающую к поверхности более плотную плазму. Данное устройство взято за прототип.
Важным здесь является то, что такой двигатель развивает тягу за счет инжекции ионов рабочего тела (РТ), независимо от типа двигателя. Это может быть и стационарный плазменный двигатель (далее – двигатель плазменным (ПД).
Данный аналог имеет следующие недостатки:
1. Если использовать ПД, применяемые для коррекции движения центра масс КА, то струи, направленные вдоль нейтрализуемой поверхности, создадут не собственную для КА атмосферу, а просто сожгут все, что попадется на их пути. Температура плазмы на выходе из двигателя порядка 1000 К;
2. Если использовать специальные ПД с пониженным секундным расходом рабочего вещества, то надо уменьшать сечение входного жиклера, что приводит к ужесточению требований к чистоте рабочего вещества в топливных баках. Что экономически неприемлемо;
3. Возможно, что придется выстраивать систему питания двигателей-регуляторов электризации, параллельную аналогичной системе питания двигателей системы коррекции движения центра масс КА: те же баки, те же топливные магистрали, та же масса. Вопросы массы в числе главных при проектировании КА.
Для заявленного изобретения выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: регулятор электризации КА, содержащий датчики контроля уровня электризации фрагментов поверхности КА и плазменные двигатели с системами электропитания, управления и подачи рабочего тела в камеры двигателей.
Технической проблемой изобретения является создание устройства, регулирующего уровень электризации КА. Указанная техническая проблема решается за счет того, что регулятор электризации (РЭ) космического аппарата, содержащий датчики контроля уровня электризации фрагментов поверхности КА и плазменные двигатели с системами электропитания, управления и подачи рабочего тела в камеры двигателей, отличается от прототипа тем, что содержит ускорительные каналы (УК) плазменных двигателей, которые в зоне создания низкотемпературной плазмы соединены боковыми входными газовыми магистралями, имеющими в начале в УК полуцилиндрические заборные скорлупы, и боковыми выходными газовыми магистралями с расположенными на них электроклапанами с ограниченными со всех сторон и сообщающимися с внешней средой посредством только газовых магистралей нейтрализаторами, в состав которых входят металлизированные фрагменты поверхности КА и жестко размещенные на них и имеющие с ними гальваническую связь термоэлементы.
Идея предлагаемого изобретения состоит в создании на борту КА, в отличие от покрытия облаком собственной атмосферы большей части КА, как в прототипе, закрытого, прилегающего к поверхности КА потока так называемой низкотемпературной плазмы из УК ПД, поступающей затем для дальнейшей регенерации и ускорения обратно в УК, то есть без потерь РТ на деэлектризацию КА. Идея нова, и реализация ее принципиально возможна.
Изобретение направлено на технический результат – эмиссию электронов дифференциальной зарядки с поверхностей КА, контактных с плазмой ПД.
Технический результат достигается за счет того, что термоэлектронная эмиссия и подхватывающий электроны поток плазмы ПД создают условия конечной депортации электронов дифференциальной зарядки в космическое пространство. Конечным результатом является снижение уровней электризации корпусных частей КА.
На фиг. 1 представлена функционально-кинематическая схема устройства РЭ в сечении: один ПД – один нейтрализатор. На фиг. 2 представлена примерная принципиальная схема сетей газовых магистралей, нейтрализаторов (приведен их минимум) и ПД в структуре РЭ для устранения дифференциальной зарядки.
Отметим еще раз, что СКМОЭЗ предписывается (совершенно справедливо) проводящие элементы конструкции металлизировать, и количество непроводящих элементов на внешних поверхностях сводить к минимуму.
РЭ содержит:
- ПД 9 (согласно штатному расписанию на систему коррекции КА) с системами электропитания, управления и подачи РТ в камеры двигателей (УК 10);
- датчики контроля уровня электризации 16 фрагментов поверхности КА 14;
УК
-  10, каждый из которых имеет боковые выходное и входное отверстия газовых магистралей 5, соединяющих этот УК 10 с сетью нейтрализаторов 4, расположенных по поверхности 1 КА;
сеть газовых магистралей
-  5 с электроклапанами 6, доставляющих плазму РТ при наличии тяги и полуцилиндрических заборных скорлуп 11 в нейтрализаторы 4 для нейтрализации поверхностных электронов 2 и отводящих в УК 10 конечный продукт нейтрализации;
электроклапаны 6
- , регламентирующие доступ плазмы РТ в нейтрализаторы 4: могут быть открыты при работе ПД 9 во время коррекции параметров орбитального движения КА и закрыты при отключенном ПД 9;
полуцилиндрические заборные скорлупы
- 11, способствующие принудительному отбору РТ из УК 10 в нейтрализаторы 4;
нейтрализаторы
термоэлементами
- 4, представляющие ограниченные со всех сторон пространства, сообщающиеся с внешней средой газовыми магистралями 5, в состав нейтрализаторов 4 входят металлизированные фрагменты поверхности 14 КА с жестко размещенными на них и имеющих с ними гальванические связи 13.
Основными частями РЭ являются ПД 9 и нейтрализаторы 4. УК 10 ПД, имеющие входы/выходы РТ посредством газовых магистралей 5 в нейтрализаторы 4, использующие в работе термоэлектронную эмиссию - существенные признаки, отвечающие критерию «новизна». Ни один аналог-устройство не обладает такой совокупностью составных частей.
Газовые магистрали 5 являются термостойкими.
Движение (тяга) плазмообразного РТ в нейтрализаторе 4 создается за счет того, что:
1. При включенном ПД 9 создается рабочая тяга, и, следовательно, заборное устройство (скорлупа) 11 будет эффективно отводить часть образовавшейся низкотемпературной плазмы в соответствующую газовую магистраль 5. Далее плазма, проходя через распределительный узел 7, попадает в сеть газовых магистралей 5 и, наконец, - во все нейтрализаторы 4 РЭ.
2
-2
-3
-4
2
2. Выходное боковое отверстие газовой магистрали 5 в УК 10 ПД 9 расположено ближе к аноду (входу РТ из блока подачи РТ (БПРТ) 12), чем входное боковое отверстие другой газовой магистрали 5 в УК 10 ПД 9. Давление РТ в стационарном ПД (СПД) 9 падает стремительно от порядка 2 – 3 кгс/см на входе в двигатель практически до нуля на выходе из СПД: тяга СПД100 (диаметр выходного отверстия 100 мм) составляет       8,3⋅10Н; это 8,5⋅10 кгс; делим на площадь выходного отверстия СПД100, получаем выходное давление РТ 1,1⋅10 кгс/см, то есть практически ноль. При длине УК порядка 0,1 м. Даже рядом расположенные отверстия газовых магистралей 5 дают значимую циркуляцию плазмообразного РТ на интервале порядка 1,5 – 2 ч времени коррекции параметров движения центра масс КА. Качество факела 8 от наличия газовых магистралей у стенки УК 10 при выходе на рабочий режим РЭ не пострадает. А выход на рабочий режим с открытием электроклапана 6 происходит практически мгновенно.
Электроклапаны 6 на магистралях 5 наряду с датчиком 16 контроля уровня электризации необходимы для гибкого сопряжения работ системы коррекции и комплекса электрозащиты.
Чтобы эффективность активной деэлектризации была максимальной, в составе РЭ находятся термоэлементы 13, способствующие принудительной эмиссии электронов 2      в плазму РТ.  Плазма в нейтрализаторах становится более нейтральной, так как ионы 3 РТ, соединяясь с электронами 2, превращаются в нейтральные частицы РТ.
Поверхностями 14 КА следует выбирать любые поверхности 1 конструкции КА, по возможности, свободные от элементов служебных систем и целевой и научной аппаратуры, или иные поверхности, состояние элементов которых не критично при повышенных нагревах.
В пределах контактных поверхностей 14 следует размещать на них (над ними) в полный и плотный контакт термоэлементы 13. То есть необходимо организовать гальваническую связь, чтобы электроны 2, покидая термоэлементы 13, создавали электрический ток в проводящих поверхностях КА, прилегающих к данному нейтрализатору 4, в направлении его поверхности 14. Количество термоэлементов 13 рассчитывается, исходя из энергобаланса на борту КА  и практической эффективности их работы.
Каждый нейтрализатор 4 имеет связь со всеми двигателями ПД 9, и газовых магистралей 5 не две, а целая сеть с распределительными входным и выходным узлами 7, и нейтрализаторов 4 в РЭ на борту КА от 4 штук по числу имеющихся ПД 9, задействуемых в регулярном процессе поддержания орбитальной позиции КА. Требуется иметь посадочные места на корпусе 1 КА, наиболее эффективно собирающие, как показано на фиг. 1 стрелками 15 отрицательные заряды дифференциальной зарядки КА. Однако площади охвата каждым нейтрализатором 4 могут быть достаточно большими, чтобы удовлетворительно справляться с задачей минимизации электростатического заряда на борту КА. Процесс деэлектризации контактных поверхностей приводит к деэлектризации всего КА.
Блок подачи РТ 12 предназначен для обеспечения подачи РТ (ксенона) с заданным давлением в ПД 9.
БПРТ 12 выполнен в виде моноблока, в состав которого входят следующие основные элементы: датчик высокого давления, фильтры, каркас под экранно-вакуумную теплоизоляцию (ЭВТИ), трубопроводы и элементы соединения, электрические соединители и кабели и две линии (основная и резервная) понижения давления РТ и его подачи в двигатели. Каждая линия состоит из редуктора давления, ресивера, датчика низкого давления, сигнализатора давления и двух электроклапанов (высокого и низкого давления). БПРТ содержит также подогреватель РТ, необходимый для исключения попадания жидкой фазы РТ в редуктор. Для обеспечения теплового режима блок снаружи закрыт кожухом ЭВТИ.