О ТОРМОЖЕНИИ ИСКУССТВЕННО «НАМАГНИЧЕННОГО» КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА В ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ

Рубрика: 
Космическая и атмосферная физика
1Шувалов, ВА, Симанов, ВГ, Хорольский, ПГ, Кулагин, СН
1Інститут технічної механіки Нацiональної академії наук України i Державного космічного агентства України, Дніпропетровськ
Косм. наука технол. 2020, 26 ;(2):59-71
https://doi.org/10.15407/knit2020.02.059
Язык публикации: Російська
Аннотация: 
По результатам физического (стендового) моделирования динамического взаимодействия «намагниченного» тела с гиперзвуковым потоком разреженной плазмы в ионосфере Земли получены зависимости коэффициента силы сопротивления от отношения магнитного давления к скоростному напору, от угла между векторами скорости потока плазмы (полёта КА) и индукции собственного магнитного поля, а также отношения характерного размера возмущенной зоны при обтекании «намагниченного» тела к его линейному размеру. Определена зависимость электромагнитной силы, тормозящей КА на высоте около 700 км, от индукции его собственного магнитного поля. Для диапазона высот 250...1000 км в ионосфере Земли показано, что электромагнитная сила, генерируемая при взаимодействии собственного магнитного поля КА (≥ 0.8 Тл) с окружающей плазмой, сопоставима с импульсом, инжектируемым плазменными ускорителями специальных космических аппаратов. Такие аппараты предназначены для принудительной «активной» очистки околоземного пространства от крупных объектов космического мусора с линейным размером более 0.5 м (топливных баков, последних ступеней ракет-носителей, обтекателей, исчерпавших ресурс КА и т. д.). Процедура очистки предусматривает торможение объектов космического мусора плазменной струей, увод их на более низкие орбиты и последующую утилизацию при сгорании в плотных слоях атмосферы Земли. При индукции собственного магнитного поля КА более 0.8 Тл электромагнитная сила более чем на три порядка превосходит силу торможения КА, обусловленную воздействием нейтрального компонента частично ионизованной ионосферной плазмы на высотах более 700 км. Применение электромагнитной силы, генерируемой в системе «намагниченный КА — ионосферная плазма» может стать альтернативой технологиям «активной» (плазменные струи специальных КА) и «пассивной» (надувные конструкции КА) очистки околоземного пространства от объектов космического мусора на высотах 250...1000 км.
Ключевые слова: ионосферная плазма, кос- мический мусор, космический аппарат, магнитное поле, торможение, электромагнитная сила
References: 
1. Галкин В. С. Определение моментов и сил, действующих на вращающиеся тела в свободномолекулярном потоке и в потоке света. Инженерный журнал. 1965. 5 (5). С. 954—958.
2. Гуревич А. В., Шварцбург А. Б. Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере. Москва: Наука, 1973. 272 с.
3. Подгорный И. М., Сагдеев Р. З. Физика межпланетной плазмы и лабораторные эксперименты. Успехи физ. наук. 1969. 98 (3). C. 409—440.
4. Шувалов В. А. Моделирование взаимодействия тел с ионосферой. Киев: Наук. думка, 1995. 180 с.
5. Bityurin V. A., Vatazhin A. B., Gus’kov O. V., Kopchenov V. I. (2004). Hypersonic flow past the spherical nose of a body in the presence of a magnetic field. Fluid Dynamics, 39 (4), 657—666.
6. Bombardelli C., Peláez J. (2011). Ion beam shepherd for contactless space debris removal. J. Guidance and Dynamics, 34 (3), 916—920.
7. Draft International Standard. Space environment (natural and artificial) — Earth upper atmosphere. ISO 14222:2013(Е).
8. ECSS-E-10-04 A. (2000). Space engineering: Space environment. — 2000-01-21. Noordwijk: ESA Publications Division, 196.
9. Fujino T., Shimosowa Y. (2016). Numerical study of magnetohydrodynamic flow control along superorbital reentry trajectories. J. Spacecraft and Rockets, 53 (3), 528—537.
10. Fujita K. (2004). Particle simulation of moderately — sized magnetic sail. J. Space Technology Science, 20 (2), 26—31.
11. Funaki I., Kojima H., Yamakawa Y. (2007). Laboratory experiment of plasma flow around magnetic sail. Astrophys. Space Sci., 307 (1-3), 63—68.
12. Grossman G., Williams G. (1990). Inflatable concentrators for solar propulsion and dynamic space power. J. Solar Energy Engineering, 112 (11), 229—236.
13. Gunko J. F., Kurbatova G. I., Filippov B. V. (1973). Methodic of calculation aerodynamic coefficients for bodies with magnetic fields in rarefied plasma. Rarefied gas aerodynamic, No. 6, 54—66.
14. Halbach K. (1985). Application of permanent magnet in accelerators and electron storage ring. J. Applied Phys., 57, 3605—3608.
15. Inamori T., Kawashima R., Saisutjarit P., Sako N., et. al. (2015). Magnetic plasma deorbit system for nano-and microsatellites using magnetic torquer interference with space plasma in low Earth orbit. Acta Astronautica, 112, 192—199.
16. Katsurayama H., Kawamura M., Matsuda A., Abe T. (2008). Kinetic and continuum simulation of electromagnetic control of a simulated reentry flow. J. Spacecraft and Rockets, 45 (2), 248—254.
17. Kawamura H., Matsuda A., Katsurayama H., Otsu H., et. al. (2009). Experiment on drag enhancement for a blunt body with electrodynamics heat shield. J. Spacecraft and Rockets, 46 (6), 1171—1177.
18. Kawashima R., Bak J., Matsurawa S., Inamori T. (2018). Particle simulation of plasma drag force generation in the magnetic plasma deorbit. J. Spacecraft and Rockets, 55 (5), 1074—1082.
19. Kitamura S., Hayakawa Y., Kawamoto S. (2014). A reorbiter for GEO large debris objects using ion beam irradiation. Acta Astronautica, 94 (2), 725—735.
20. Mark C. P., Kamath S. (2019). Review of active space debris removal methods. Space Policy, 47, 194—206.
21. Mehta P. M., Walker A., McLaughlin C. A., Koller J. (2014). Comparing physical drag coefficients computed using different gas-surface interaction models. J. Spacecraft and Rockets, 51 (3), 873—883.
22. Merino M., Ahedo E., Bombardelli C., Urrutxua H., et. al. (2011). Hypersonic plasma plume expansion in space. Proc. IEPC (Intern. Electric Propulsion Conf.), 086.
23. Mitchner M., Kruger Ch. (1973). Partially ionized gases. New York: Wiley.
24. Moe K., Moe M. M., Wallace S. D. (1998). Improved satellite drag coefficient calculation from orbital measurements of energy accommodation. J. Spacecraft and Rockets, 35(3), 266—272.
25. Nishida A. (1978). Geomagnetic diagnosis of the magnetosphere. New-York — Heidelberg — Berlin: Springer-Verlag.
26. Nishida H., Funaki I. (2012). Analysis of thrust characteristics of a magnetic sail in magnetized solar wind. J. Propulsion and Power, 28(3), 636—641.
27. Nishida H., Ogawa H., Funaki I., Fujita K., Yamakawa H. (2006). Two-dimensional magnetohydrodynamic simulation of a magnetic sail. J. Spacecraft and Rockets, 43 (3), 667—672.
28. Parks D. E., Katz I. (2003). Asymptotic magnetic field expantion in mini-magnetospheric plasma propulsion. J. Spacecraft and Rockets, 40 (4), 597—598.
29. Shuvalov V. A., Gorev N. A., Tokmak N. A., Kochubei G. S. (2017). Physical simulation of the long-term dynamic action of a plasma beam on a space debris object. Acta Astrnautica, 132, 97—102.
30. Shuvalov V. A., Pis’mennyi N. I., Lazuchenkov D. N., Kochubey G. S. (2013). Probe diagnostics of laboratory and ionospheric rarefied plasma flows. Instruments and experimental techniques, 56 (4), 459—467.
31. Shuvalov V. A., Gorev N. B., Tokmak N. A., Pis’mennyi N. I., Kochubei G. S. (2018). Control of the drag on a spacecraft in the Earth’s ionosphere using the spacecraft’s magnetic field. Acta Astronautica, 151, 717—725.
32. Toivanen P. K., Janhunen P., Koskinen H. E. J. (2004). Magnetospheric propulsion (eMPii). ESTEC/Contractor N16361/02/NL/LvH. Final report, 1.3. 78 p.
33. Zubrin P. M., Andrews D. G. (1991). Magnetic sail and interplanetary travel. J. Spacecraft and Rockets, 28 (2), 197—203.