ПРО ГАЛЬМУВАННЯ ШТУЧНО «НАМАГНІЧЕНОГО» КОСМІЧНОГО АПАРАТА У ІОНОСФЕРНІЙ ПЛАЗМІ

Рубрика: 
Космічна й атмосферна фізика
Шувалов, ВO, Сіманов, ВГ, Хорольський, ПГ, Кулагін, СM
Косм. наука технол. 2020, 26 ;(2):59-71
https://doi.org/10.15407/knit2020.02.059
Мова публікації: Російська
Анотація: 
За результатами фізичного (стендового) моделювання динамічної взаємодії «намагніченого» тіла з гіперзвуковим потоком розрідженої плазми в іоносфері Землі отримано залежності коефіцієнта сили опору від відношення магнітного тиску до швидкісного напору, від кута між векторами швидкості потоку плазми (польоту КА) і індукції власного магнітного поля, а також відношення характерного розміру збуреної зони при обтіканні «намагніченого» тіла до його лінійного розміру. Визначено залежність електромагнітної сили, яка гальмує КА на висоті 700 км, від індукції йоговласного магнітного поля. Для діапазону висот 250…1000 км в іоносфері Землі показано, що електромагнітна сила, яку генерує взаємодія власного магнітного поля КА (≥0.8 Тл) з навколишньою плазмою, порівнянна з імпульсом, який інжектують плазмові прискорювачі спеціальних космічних апаратів. Ці апарати призначено для примусового «активного» очищення навколоземного простору від об’єктів космічного сміття з лінійним розміром понад 0.5 м (паливних баків, останніх ступенів ракет-носіїв, обтічників, КА, що вичерпали ресурс тощо). Процедура очищення передбачає гальмування об’єктів космічного сміття плазмовим струменем, відведення їх на нижчі орбіти і наступну утилізацію при згорянні у щільних шарах атмосфери Землі. При індукції власного магнітного поля КА більше 0.8 Тл електромагнітна сила більш ніж на три порядки перевищує силу гальмування КА, обумовлену дією нейтрального компонента частково іонізованої іоносферної плазми на висотах понад 700 км. Застосування електромагнітної сили,
яку генерує система «намагнічений КА — іоносферна плазма» може стати альтернативою технологіям «активного» (плазмові струмені спеціальних КА) і «пасивного» (надувні конструкції КА) очищення навколоземного простору від об’єктів космічного сміття на висотах 250…1000 км.
Ключові слова: іоносферна плазма, гальмування, електромагнітна сила, космічне сміття, космічний апарат, магнітне поле
Повний текст (PDF)
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.