Электродинамический трос

Длинные токопроводящие провода, которые могут действовать как электродвигатели или генераторы.

Средний план, снятый 70-миллиметровой камерой, демонстрирует развертывание привязанной спутниковой системы .

Электродинамические тросы ( ЭДТ ) представляют собой длинные проводящие провода , например, те, которые разворачиваются со спутника-троса, которые могут работать на электромагнитных принципах как генераторы , преобразуя свою кинетическую энергию в электрическую , или как двигатели , преобразуя электрическую энергию в кинетическую. ^[1] Электрический потенциал генерируется на проводящем тросе при его движении через магнитное поле планеты.

В ходе ряда миссий были продемонстрированы электродинамические тросы в космосе, наиболее заметными из которых были эксперименты TSS-1 , TSS-1R и плазменный двигатель-генератор (PMG).

Тросовая тяга

Как часть системы тросового движения , корабль может использовать длинные, прочные проводники (хотя не все тросы являются проводящими) для изменения орбит космических аппаратов . Это может значительно удешевить космические путешествия. ^{[ необходима цитата ]} Когда постоянный ток подается на трос, он оказывает силу Лоренца против магнитного поля, и трос оказывает силу на транспортное средство. Его можно использовать как для ускорения, так и для торможения орбитального космического аппарата.

В 2012 году компания Star Technology and Research получила контракт на сумму 1,9 млн долларов на квалификацию тросовой двигательной системы для удаления орбитального мусора . ^[2]

Использование привязей ED

За прошедшие годы было выявлено множество приложений для электродинамических тросов для потенциального использования в промышленности, правительстве и научных исследованиях. В таблице ниже приведено резюме некоторых потенциальных приложений, предложенных на данный момент. Некоторые из этих приложений являются общими концепциями, в то время как другие являются четко определенными системами. Многие из этих концепций пересекаются с другими областями; однако они просто помещены под наиболее подходящим заголовком для целей этой таблицы. Все приложения, упомянутые в таблице, подробно описаны в Справочнике по тросам. ^[1] Три фундаментальных концепции, которыми обладают тросы, — это градиенты гравитации, обмен импульсом и электродинамика. Потенциальные приложения тросов можно увидеть ниже:

МКС ребут

EDT был предложен для поддержания орбиты МКС и экономии расходов на повторные запуски химического топлива. ^[3] Это могло бы улучшить качество и продолжительность условий микрогравитации. ^[3]

Основы электродинамического троса

Иллюстрация концепции EDT

Выбор металлического проводника для использования в электродинамическом тросе определяется множеством факторов. Первичные факторы обычно включают высокую электропроводность и низкую плотность . Вторичные факторы, в зависимости от применения, включают стоимость, прочность и температуру плавления.

Электродвижущая сила (ЭДС) генерируется через элемент троса, когда он движется относительно магнитного поля. Сила определяется законом индукции Фарадея :

${\displaystyle V_{\mathrm {emf} }=\int _{0}^{L}\left({\vec {v}}_{\mathrm {orb} }\times {\vec {B}}\right)d{\vec {L}}.}$

Без потери общности предполагается, что система троса находится на околоземной орбите и движется относительно магнитного поля Земли. Аналогично, если ток течет в элементе троса, может быть создана сила в соответствии с уравнением силы Лоренца

${\displaystyle {\vec {F}}=\int _{0}^{L}I(L)\,d{\vec {L}}\times {\vec {B}}.}$

В режиме автономного питания ( режим спуска с орбиты ) эта ЭДС может использоваться системой троса для подачи тока через трос и другие электрические нагрузки (например, резисторы, батареи), испускания электронов на излучающем конце или сбора электронов на противоположном. В режиме усиления бортовые источники питания должны преодолеть эту двигательную ЭДС для подачи тока в противоположном направлении, тем самым создавая силу в противоположном направлении, как показано на рисунке ниже, и усиливая систему.

Возьмем, к примеру, миссию NASA Propulsive Small Expendable Deployer System (ProSEDS), показанную на рисунке выше. ^{[4] [5] [6] [7] [8]} На высоте 300 км магнитное поле Земли в направлении север-юг составляет приблизительно 0,18–0,32  гаусса до наклона ~40°, а орбитальная скорость относительно локальной плазмы составляет около 7500 м/с. Это приводит к диапазону _ЭДС V 35–250 В/км вдоль длины троса 5 км. Эта ЭДС определяет разность потенциалов на голом тросе, которая контролирует, где электроны собираются и/или отталкиваются. Здесь система троса ProSEDS de-boost настроена на обеспечение сбора электронов в положительно смещенной более высокой части голого троса и возвращение в ионосферу на более низком конце высоты. Этот поток электронов по длине троса в присутствии магнитного поля Земли создает силу, которая создает тягу сопротивления, которая помогает спустить систему с орбиты, как указано в приведенном выше уравнении. Режим ускорения похож на режим спуска с орбиты, за исключением того, что источник питания высокого напряжения (HVPS) также вставляется последовательно с системой троса между тросом и концом с более высоким положительным потенциалом. Напряжение источника питания должно быть больше ЭДС и полярно противоположным. Это направляет ток в противоположном направлении, что, в свою очередь, приводит к тому, что конец с более высокой высотой заряжается отрицательно, в то время как конец с более низкой высотой заряжается положительно (предполагая стандартную орбиту с востока на запад вокруг Земли).

Чтобы еще больше подчеркнуть явление снижения мощности, на рисунке ниже представлен схематический эскиз системы голых тросов без изоляции (полностью голые).

Графики зависимости тока и напряжения от расстояния для голого троса, работающего в режиме генератора (дебустер). ^[9]

Верхняя часть диаграммы, точка A , представляет собой конец сбора электронов. Нижняя часть троса, точка C , представляет собой конец эмиссии электронов. Аналогично, и представляют собой разность потенциалов от соответствующих концов троса до плазмы, а — потенциал в любой точке троса по отношению к плазме. Наконец, точка B — это точка, в которой потенциал троса равен плазме. Местоположение точки B будет меняться в зависимости от равновесного состояния троса, которое определяется решением закона напряжения Кирхгофа (KVL) ${\displaystyle V_{\mathrm {anode} }}$ ${\displaystyle V_{\mathrm {cathode} }}$ ${\displaystyle V-V_{p}}$

${\displaystyle V_{\mathrm {anode} }+\int _{A}^{C}I(y)\,dR_{t}+R_{\mathrm {load} }I_{C}+V_{\mathrm {emit} }+V_{\mathrm {cathode} }=V_{\mathrm {emf} }}$

и закон тока Кирхгофа (KCL)

${\displaystyle I_{AB}=I_{BC}+I_{C}}$

вдоль троса. Здесь , , и описывают прирост тока от точки A до B , потерю тока от точки B до C , и потерю тока в точке C , соответственно. ${\displaystyle I_{AB}}$ ${\displaystyle I_{BC}}$ ${\displaystyle I_{C}}$

Поскольку ток непрерывно меняется вдоль голой длины троса, потеря потенциала из-за резистивной природы провода представляется как . Вдоль бесконечно малого участка троса сопротивление, умноженное на ток, проходящий через этот участок, является резистивной потерей потенциала. ${\displaystyle \textstyle \int _{A}^{C}I(y)\,dR_{t}}$ ${\displaystyle dR_{t}}$ ${\displaystyle I(y)}$

После оценки KVL и KCL для системы результаты дадут профиль тока и потенциала вдоль троса, как показано на рисунке выше. Эта диаграмма показывает, что от точки A троса до точки B существует положительное смещение потенциала, которое увеличивает собранный ток. Ниже этой точки становится отрицательным, и начинается сбор ионного тока. Поскольку для сбора эквивалентного количества ионного тока (для данной площади) требуется гораздо большая разность потенциалов, общий ток в тросе уменьшается на меньшую величину. Затем в точке C оставшийся ток в системе проходит через резистивную нагрузку ( ) и испускается из устройства, испускающего электроны ( ), и, наконец, через плазменную оболочку ( ). Затем контур напряжения KVL замыкается в ионосфере, где разность потенциалов фактически равна нулю. ${\displaystyle V-V_{p}}$ ${\displaystyle R_{\mathrm {load} }}$ ${\displaystyle V_{\mathrm {emit} }}$ ${\displaystyle V_{\mathrm {cathode} }}$

Из-за природы голых EDT часто не является необязательным иметь весь голый трос. Чтобы максимизировать тяговую способность системы, значительная часть голого троса должна быть изолирована. Эта величина изоляции зависит от ряда эффектов, некоторые из которых - плотность плазмы, длина и ширина троса, скорость орбитального движения и плотность магнитного потока Земли.

Тросы как генераторы

Космический объект, т. е. спутник на околоземной орбите или любой другой космический объект, как естественный, так и искусственный, физически подключен к системе троса. Система троса включает в себя развертывающее устройство, из которого проводящий трос с голым сегментом простирается вверх от космического объекта. Положительно смещенный анодный конец троса собирает электроны из ионосферы, когда космический объект движется в направлении, перпендикулярном магнитному полю Земли. Эти электроны протекают через проводящую структуру троса к интерфейсу системы питания, где он подает питание на связанную нагрузку, не показанную. Затем электроны протекают к отрицательно смещенному катоду, где электроны выбрасываются в космическую плазму, таким образом замыкая электрическую цепь. (источник: патент США 6,116,544, «Электродинамический трос и способ использования».)

Электродинамический трос прикрепляется к объекту, при этом трос ориентируется под углом к ​​локальной вертикали между объектом и планетой с магнитным полем. Дальний конец троса можно оставить открытым, создавая электрический контакт с ионосферой . Когда трос пересекает магнитное поле планеты , он генерирует ток и тем самым преобразует часть кинетической энергии орбитального тела в электрическую энергию. Функционально электроны текут из космической плазмы в проводящий трос, проходят через резистивную нагрузку в блоке управления и испускаются в космическую плазму электронным эмиттером в виде свободных электронов. В результате этого процесса на трос и прикрепленный объект действует электродинамическая сила, замедляя их орбитальное движение. В широком смысле этот процесс можно сравнить с обычной ветряной мельницей — сила сопротивления резистивной среды (воздуха или, в данном случае, магнитосферы) используется для преобразования кинетической энергии относительного движения (ветра или импульса спутника) в электричество. В принципе, компактные генераторы сильноточной привязной энергии возможны, и при наличии базового оборудования, по-видимому, достижимы десятки, сотни и тысячи киловатт. ^[10]

Напряжение и ток

NASA провело несколько экспериментов с привязями Plasma Motor Generator (PMG) в космосе. В раннем эксперименте использовался 500-метровый проводящий привязь. В 1996 году NASA провело эксперимент с 20 000-метровым проводящим привязью. Когда привязь была полностью развернута во время этого испытания, орбитальный привязь генерировал потенциал 3500 вольт. Этот проводящий однолинейный привязь был разорван через пять часов развертывания. Считается, что отказ был вызван электрической дугой, созданной движением проводящего привязи через магнитное поле Земли. ^[11]

Когда трос движется со скоростью ( v ) под прямым углом к ​​магнитному полю Земли ( B ), в системе отсчета троса наблюдается электрическое поле. Это можно выразить как:

Э = в * В = в В

Направление электрического поля ( E ) перпендикулярно как скорости троса ( v ), так и магнитному полю ( B ). Если трос является проводником, то электрическое поле приводит к смещению зарядов вдоль троса. Обратите внимание, что скорость, используемая в этом уравнении, является орбитальной скоростью троса. Скорость вращения Земли или ее ядра не имеет значения. В этой связи см. также униполярный генератор .

Напряжение на проводнике

При наличии длинного проводящего провода длиной L в проводе создается электрическое поле E. Оно создает напряжение V между противоположными концами провода. Это можно выразить как:

${\displaystyle V=\mathbf {E} \cdot \mathbf {L} =EL\cos \tau =vBL\cos \tau }$^[12]

где угол τ находится между вектором длины ( L ) троса и вектором электрического поля ( E ), который предполагается направленным вертикально под прямым углом к ​​вектору скорости ( v ) в плоскости, а вектор магнитного поля ( B ) находится вне плоскости.

Ток в проводнике

Электродинамический трос можно описать как тип термодинамически «открытой системы» . Электродинамические цепи троса не могут быть завершены простым использованием другого провода, поскольку другой трос будет развивать аналогичное напряжение. К счастью, магнитосфера Земли не «пустая», и в околоземных регионах (особенно вблизи атмосферы Земли) существуют высокоэлектропроводящие плазмы , которые частично ионизированы солнечным излучением или другой лучистой энергией . Плотность электронов и ионов меняется в зависимости от различных факторов, таких как местоположение, высота, сезон, цикл солнечных пятен и уровни загрязнения. Известно, что положительно заряженный голый проводник может легко удалить свободные электроны из плазмы. Таким образом, для завершения электрической цепи необходима достаточно большая площадь неизолированного проводника на верхнем, положительно заряженном конце троса, тем самым позволяя току течь через трос.

Однако противоположному (отрицательному) концу троса сложнее выбрасывать свободные электроны или собирать положительные ионы из плазмы. Вполне вероятно, что, используя очень большую площадь сбора на одном конце троса, можно собрать достаточно ионов, чтобы обеспечить значительный ток через плазму. Это было продемонстрировано во время миссии орбитального аппарата Shuttle TSS-1R, когда сам шаттл использовался в качестве большого плазменного контактора для обеспечения тока более ампера . Улучшенные методы включают создание электронного эмиттера, такого как термоионный катод , плазменный катод, плазменный контактор или устройство полевой электронной эмиссии . Поскольку оба конца троса «открыты» для окружающей плазмы, электроны могут вытекать из одного конца троса, в то время как соответствующий поток электронов поступает в другой конец. Таким образом, напряжение, которое электромагнитно индуцируется внутри троса, может вызвать протекание тока через окружающую космическую среду , замыкая электрическую цепь через то, что на первый взгляд кажется разомкнутой цепью .

Ток привязи

Величина тока ( I ), протекающего через трос, зависит от различных факторов. Одним из них является полное сопротивление цепи ( R ). Сопротивление цепи состоит из трех компонентов:

1. эффективное сопротивление плазмы,
2. сопротивление троса и
3. управляющий переменный резистор.

Кроме того, необходима паразитная нагрузка . Нагрузка на ток может иметь форму зарядного устройства, которое, в свою очередь, заряжает резервные источники питания, такие как батареи. Батареи в свою очередь будут использоваться для управления цепями питания и связи, а также для управления устройствами, излучающими электроны, на отрицательном конце троса. Таким образом, трос может быть полностью автономным, помимо первоначального заряда в батареях для обеспечения электропитания для процедуры развертывания и запуска.

Нагрузку заряжаемой батареи можно рассматривать как резистор, который поглощает энергию, но сохраняет ее для последующего использования (вместо немедленного рассеивания тепла). Он включен как часть «управляющего резистора». Нагрузка заряжаемой батареи не рассматривается как «базовое сопротивление», поскольку цепь зарядки может быть отключена в любое время. В выключенном состоянии операции могут быть продолжены без перерыва, используя энергию, накопленную в батареях.

Токосъём/эмиссия для системы EDT: теория и технология

Понимание сбора электронного и ионного тока в окружающую плазму и из нее имеет решающее значение для большинства систем EDT. Любая открытая проводящая секция системы EDT может пассивно («пассивная» и «активная» эмиссия относится к использованию предварительно накопленной энергии для достижения желаемого эффекта) собирать электронный или ионный ток в зависимости от электрического потенциала корпуса космического корабля по отношению к окружающей плазме. Кроме того, геометрия проводящего тела играет важную роль в размере оболочки и, следовательно, в общей способности сбора. В результате существует ряд теорий для различных методов сбора.

Первичными пассивными процессами, которые управляют сбором электронов и ионов в системе EDT, являются сбор теплового тока, эффекты сбора ионного тарана, электронная фотоэмиссия и, возможно, вторичная электронная и ионная эмиссия. Кроме того, сбор вдоль тонкого голого троса описывается с использованием теории ограниченного орбитального движения (OML), а также теоретических выводов из этой модели в зависимости от физического размера по отношению к длине Дебая плазмы. Эти процессы происходят по всему открытому проводящему материалу всей системы. Параметры окружающей среды и орбиты могут существенно влиять на величину собираемого тока. Некоторые важные параметры включают плотность плазмы, электронную и ионную температуру, молекулярный вес иона, напряженность магнитного поля и орбитальную скорость относительно окружающей плазмы.

Затем в системе EDT используются методы активного сбора и эмиссии. Это происходит с помощью таких устройств, как плазменные контакторы с полым катодом, термоионные катоды и массивы полевых эмиттеров. Подробно обсуждается физическая конструкция каждой из этих структур, а также текущие возможности эмиссии.

Голые токопроводящие тросы

Концепция сбора тока на голый проводящий трос была впервые формализована Санмартином и Мартинесом-Санчесом. ^[9] Они отмечают, что наиболее эффективная по площади цилиндрическая поверхность сбора тока — это та, которая имеет эффективный радиус менее ~1 длины Дебая , где физика сбора тока известна как ограниченное орбитальное движение (OML) в бесстолкновительной плазме. По мере того, как эффективный радиус голого проводящего троса увеличивается после этой точки, происходит предсказуемое снижение эффективности сбора по сравнению с теорией OML. В дополнение к этой теории (которая была выведена для не текущей плазмы), сбор тока в пространстве происходит в текущей плазме, что вводит другой эффект сбора. Эти вопросы более подробно рассматриваются ниже.

Теория ограниченного движения по орбите (OML)

Электронная длина Дебая ^[13] определяется как характерное расстояние экранирования в плазме и описывается уравнением

${\displaystyle \lambda _{\mathrm {De} }\cong {\sqrt {\frac {\varepsilon _{0}T_{e}}{qn_{0}}}}.}$

Это расстояние, на котором все электрические поля в плазме, возникающие из-за проводящего тела, падают на 1/e, можно рассчитать. Теория OML ^[14] определяется с предположением, что длина Дебая электронов равна или больше размера объекта, а плазма не течет. Режим OML возникает, когда оболочка становится достаточно толстой, так что орбитальные эффекты становятся важными в сборе частиц. Эта теория учитывает и сохраняет энергию частиц и угловой момент. В результате не все частицы, падающие на поверхность толстой оболочки, собираются. Напряжение собирающей структуры по отношению к окружающей плазме, а также плотность и температура окружающей плазмы определяют размер оболочки. Это ускоряющее (или замедляющее) напряжение в сочетании с энергией и импульсом входящих частиц определяет величину тока, собираемого через плазменную оболочку.

Режим предела орбитального движения достигается, когда радиус цилиндра достаточно мал, так что все траектории входящих частиц, которые собираются, заканчиваются на поверхности цилиндра и связаны с фоновой плазмой, независимо от их начального углового момента (т. е. ни одна из них не связана с другим местом на поверхности зонда). Поскольку в квазинейтральной бесстолкновительной плазме функция распределения сохраняется вдоль орбит частиц, заселение всех «направлений прибытия» соответствует верхнему пределу собранного тока на единицу площади (не полного тока). ^[15]

В системе EDT наилучшая производительность для заданной массы троса достигается при диаметре троса, выбранном меньше электронной длины Дебая для типичных условий окружающей среды ионосферы (типичные условия ионосферы в диапазоне высот от 200 до 2000 км имеют T_e в диапазоне от 0,1 эВ до 0,35 эВ и n_e в диапазоне от 10^10 м^-3 до 10^12 м^-3 ), поэтому она находится в режиме OML. Геометрии троса за пределами этого измерения были рассмотрены. ^[16] Сбор OML будет использоваться в качестве базовой линии при сравнении текущих результатов сбора для различных геометрий и размеров образцов троса.

В 1962 году Джеральд Х. Розен вывел уравнение, которое сейчас известно как теория OML заряда пыли. ^[17] По словам Роберта Мерлино из Университета Айовы, Розен, похоже, пришел к уравнению на 30 лет раньше всех остальных. ^[18]

Отклонения от теории OML в нетекучей плазме

По ряду практических причин сбор тока на голый EDT не всегда удовлетворяет предположению теории сбора OML. Понимание того, как прогнозируемая производительность отклоняется от теории, важно для этих условий. Две обычно предлагаемые геометрии для EDT включают использование цилиндрического провода и плоской ленты. Пока цилиндрический трос имеет радиус менее одной длины Дебая, он будет собирать в соответствии с теорией OML. Однако как только ширина превышает это расстояние, сбор все больше отклоняется от этой теории. Если геометрия троса представляет собой плоскую ленту, то можно использовать приближение для преобразования нормализованной ширины ленты в эквивалентный радиус цилиндра. Это впервые было сделано Санмартином и Эстесом ^[19] , а позднее с использованием 2-мерного кинетического плазменного решателя (KiPS 2-D) Шойниером и др. ^[15].

Эффект текущей плазмы

В настоящее время нет решения в замкнутой форме для учета эффектов потока плазмы относительно голого троса. Однако недавно Чойниер и др. разработали численное моделирование с использованием KiPS-2D, которое может моделировать случаи течения для простых геометрий при высоких потенциалах смещения. ^{[20] [21]} Этот анализ течения плазмы, применяемый к EDT, обсуждался. ^[16] Это явление в настоящее время исследуется в недавних работах и ​​не полностью изучено.

Коллекция Endbody

В этом разделе обсуждается теория физики плазмы, которая объясняет пассивный сбор тока на большое проводящее тело, которое будет применено на конце троса ED. Когда размер оболочки намного меньше радиуса собирающего тела, то в зависимости от полярности разности между потенциалом троса и потенциалом окружающей плазмы (V – Vp), предполагается, что все входящие электроны или ионы, которые попадают в плазменную оболочку, собираются проводящим телом. ^{[13] [15]} Обсуждается эта теория «тонкой оболочки», включающая нетекучую плазму, а затем представляются модификации этой теории для текущей плазмы. Затем будут обсуждаться другие механизмы сбора тока. Вся представленная теория используется для разработки модели сбора тока для учета всех условий, возникающих во время миссии EDT.

Теория пассивного сбора

В нетекучей квазинейтральной плазме без магнитного поля можно предположить, что сферический проводящий объект будет собирать одинаково во всех направлениях. Сбор электронов и ионов на конечном теле регулируется процессом термического сбора, который задается Ithe и Ithi. ^[22]

Режим сбора электронов в текущей плазме

Следующим шагом в разработке более реалистичной модели для сбора тока является включение эффектов магнитного поля и эффектов потока плазмы. Предполагая, что плазма бесстолкновительная, электроны и ионы вращаются вокруг линий магнитного поля, когда они перемещаются между полюсами вокруг Земли из-за сил магнитного отражения и градиентно-кривизненного дрейфа. ^[23] Они вращаются с определенным радиусом и частотой, зависящими от их массы, напряженности магнитного поля и энергии. Эти факторы должны учитываться в моделях сбора тока.

Составная схема сложного массива физических эффектов и характеристик, наблюдаемых в ближнем окружении спутника TSS. ^[24]

Модель сбора ионов в текущей плазме

Когда проводящее тело отрицательно смещено относительно плазмы и движется выше тепловой скорости ионов, действуют дополнительные механизмы сбора. Для типичных низких околоземных орбит (НОО), между 200 км и 2000 км, ^[25] скорости в инерциальной системе отсчета варьируются от 7,8 км/с до 6,9 км/с для круговой орбиты, а молекулярные массы атмосферы варьируются от 25,0 а.е.м. (O+, O2+ и NO+) до 1,2 а.е.м. (в основном H+) соответственно. ^{[26] [27] [28]} Предполагая, что температуры электронов и ионов варьируются от ~0,1 эВ до 0,35 эВ, результирующая скорость ионов варьируется от 875 м/с до 4,0 км/с на высоте от 200 км до 2000 км соответственно. Электроны движутся со скоростью приблизительно 188 км/с по всей НОО. Это означает, что вращающееся тело движется быстрее ионов и медленнее электронов, или со скоростью мезозвука. Это приводит к уникальному явлению, когда вращающееся тело «пробивает» окружающие ионы в плазме, создавая эффект пучка в системе отсчета вращающегося тела.

Пористые концы

Пористые конечные тела были предложены как способ уменьшить сопротивление собирающего конечного тела, в идеале сохраняя аналогичный токосъем. Их часто моделируют как твердые конечные тела, за исключением того, что они составляют небольшой процент от площади поверхности твердых сфер. Однако это крайнее упрощение концепции. Многое еще предстоит узнать о взаимодействии между структурой оболочки, геометрией сетки, размером конечного тела и его связью с токосъемом. Эта технология также имеет потенциал для решения ряда проблем, касающихся EDT. Уменьшение возврата с током сбора и площадью сопротивления установило предел, который пористые тросы могли бы преодолеть. Работа по токосъему с использованием пористых сфер была выполнена Стоуном и др. ^{[29] [30]} и Хазановым и др. ^[31].

Было показано, что максимальный ток, собираемый сетчатой ​​сферой, по сравнению с массой и уменьшением сопротивления можно оценить. Сопротивление на единицу собираемого тока для сетчатой ​​сферы с прозрачностью от 80 до 90% примерно в 1,2–1,4 раза меньше, чем у сплошной сферы того же радиуса. Уменьшение массы на единицу объема, для этого же сравнения, составляет 2,4–2,8 раза. ^[31]

Другие методы сбора тока

Помимо термического сбора электронов, на сбор тока в системе EDT могут влиять и другие процессы: фотоэмиссия, вторичная электронная эмиссия и вторичная ионная эмиссия. Эти эффекты относятся ко всем проводящим поверхностям в системе EDT, а не только к конечному телу.

Пределы пространственного заряда в плазменных оболочках

В любом приложении, где электроны испускаются через вакуумный зазор, существует максимально допустимый ток для заданного смещения из-за самоотталкивания электронного пучка. Этот классический предел пространственного заряда 1-D (SCL) выводится для заряженных частиц с нулевой начальной энергией и называется законом Чайлда-Ленгмюра. ^{[32] [33] [34]} Этот предел зависит от площади поверхности эмиссии, разности потенциалов через плазменный зазор и расстояния этого зазора. Дальнейшее обсуждение этой темы можно найти здесь. ^{[35] [36] [37] [38]}

Эмиттеры электронов

Обычно для приложений EDT рассматриваются три технологии активной электронной эмиссии: плазменные контакторы с полым катодом (HCPC), термоионные катоды (TC) и катоды с полевой эмиссией (FEC), часто в форме массивов полевых эмиттеров (FEA). Для каждого устройства будут представлены конфигурации системного уровня, а также относительные затраты, преимущества и валидация.

Термоионный катод (ТК)

Термоэлектронная эмиссия — это поток электронов с нагретой заряженной поверхности металла или оксида металла, вызванный тепловой колебательной энергией, преодолевающей работу выхода (электростатические силы, удерживающие электроны на поверхности). Плотность тока термоэлектронной эмиссии, J, быстро возрастает с ростом температуры, высвобождая значительное количество электронов в вакуум вблизи поверхности. Количественное соотношение дано в уравнении

${\displaystyle J_{the}=A_{R}T^{2}e^{-\phi /(kt)}.}$

Это уравнение называется уравнением Ричардсона-Дешмана или Ричардсона. (ф составляет приблизительно 4,54 эВ и AR ~120 А/см2 для вольфрама). ^[39]

После того, как электроны термоионно испускаются с поверхности TC, им требуется потенциал ускорения, чтобы пересечь зазор или, в данном случае, плазменную оболочку. Электроны могут получить эту необходимую энергию, чтобы покинуть SCL плазменной оболочки, если используется ускоренная сетка или электронная пушка. Уравнение

${\displaystyle \Delta V_{tc}=\left[{\frac {\eta \cdot I_{t}}{\rho }}\right]^{2/3}}$

показывает, какой потенциал необходим на сетке, чтобы испускать определенный ток, поступающий на устройство. ^{[40] [41]}

Здесь η — эффективность узла электронной пушки (EGA) (~0,97 в TSS-1), ρ — первеанс EGA (7,2 микроперв в TSS-1), ΔV _tc — напряжение на ускоряющей сетке EGA, а I _t — излучаемый ток. ^[40] Первеанс определяет ток, ограниченный пространственным зарядом, который может быть излучен из устройства. На рисунке ниже показаны коммерческие примеры термоионных излучателей и электронных пушек, произведенных в Heatwave Labs Inc.

Пример а) термоионного излучателя, испускающего электроны, и б) ускоряющего электроны узла электронной пушки. ^[42]

Электронная эмиссия TC будет происходить в одном из двух различных режимов: ток, ограниченный температурой или пространственным зарядом. Для потока, ограниченного температурой, каждый электрон, который получает достаточно энергии, чтобы вырваться из поверхности катода, испускается, предполагая, что ускоряющий потенциал электронной пушки достаточно велик. В этом случае ток эмиссии регулируется процессом термоионной эмиссии, заданным уравнением Ричардсона-Дешмана. В электронном токе SCL так много электронов испускается из катода, что не все из них достаточно ускоряются электронной пушкой, чтобы вырваться из пространственного заряда. В этом случае ускоряющий потенциал электронной пушки ограничивает ток эмиссии. На приведенной ниже диаграмме показаны токи ограничения температуры и эффекты SCL. По мере увеличения энергии пучка электронов можно увидеть, что общее количество вырывающихся электронов увеличивается. Кривые, которые становятся горизонтальными, представляют собой случаи ограничения температуры.

Типичные вольтамперные характеристики электронного генератора (EGA), измеренные в вакуумной камере.

Автоэмиссионный катод (FEC)

Полевая эмиссия

При полевой электронной эмиссии электроны туннелируют через потенциальный барьер, а не выходят за его пределы, как при термоэлектронной эмиссии или фотоэмиссии. ^[43] Для металла при низкой температуре процесс можно понять с помощью рисунка ниже. Металл можно рассматривать как потенциальный ящик, заполненный электронами до уровня Ферми (который лежит ниже уровня вакуума на несколько электрон-вольт). Уровень вакуума представляет собой потенциальную энергию электрона, находящегося в состоянии покоя вне металла при отсутствии внешнего поля. При наличии сильного электрического поля потенциал вне металла будет деформирован вдоль линии AB, так что образуется треугольный барьер, через который электроны могут туннелировать. Электроны извлекаются из зоны проводимости с плотностью тока, заданной уравнением Фаулера-Нордгейма

${\displaystyle J_{the}=A_{FN}\cdot E_{FN}^{2}\cdot e^{-B_{FN}/E_{FN}}.}$

Схема энергетических уровней для полевой эмиссии из металла при температуре абсолютного нуля. ^[43]

AFN и BFN — константы, определяемые измерениями FEA с единицами А/В2 и В/м соответственно. EFN — электрическое поле, которое существует между электронным эмиссионным наконечником и положительно смещенной структурой, вытягивающей электроны. Типичные константы для катодов типа Spindt включают: AFN = 3,14 x 10-8 А/В2 и BFN = 771 В/м. (Технический паспорт Стэнфордского исследовательского института). Ускоряющая структура обычно располагается в непосредственной близости от эмиттерного материала, как показано на рисунке ниже. ^[44] Близкое ( микрометровое расстояние) расстояние между эмиттером и затвором в сочетании с естественными или искусственными фокусирующими структурами эффективно обеспечивает высокую напряженность поля, необходимую для эмиссии при относительно низком приложенном напряжении и мощности.

Катод с полевой эмиссией на основе углеродных нанотрубок был успешно испытан в ходе эксперимента с электродинамическим тросом KITE на японском транспортном средстве H-II. ^[45]

Автоэмиссионные катоды часто имеют форму массивов полевых эмиттеров (FEA), например, конструкция катода, разработанная Шпиндтом и др. На рисунке ниже показаны увеличенные визуальные изображения эмиттера Шпиндта. ^{[46] [47] [48]}

Увеличенные изображения массива полевых эмиттеров (фотография кольцевого катода SRI, полученная с помощью СЭМ и разработанная для Инициативы по вакуумной микроэлектронике ARPA/NRL/NASA Каппом Шпиндтом)

Для массивов полевых эмиттеров были разработаны различные материалы, начиная от кремния и полупроводниковых наконечников из молибдена с интегрированными затворами до пластины из хаотично распределенных углеродных нанотрубок с отдельной структурой затвора, подвешенной сверху. ^[44] Преимущества технологий полевой эмиссии по сравнению с альтернативными методами электронной эмиссии заключаются в следующем:

1. Нет необходимости в расходном материале (газе) и, соответственно, нет необходимости в мерах безопасности при работе с сосудом под давлением.
2. Возможность использования малой мощности
3. Имеют умеренные энергетические воздействия из-за ограничений пространственного заряда при излучении электронов в окружающую плазму.

Одной из основных проблем, которую следует учитывать для полевых эмиттеров, является влияние загрязнения. Для того чтобы добиться электронной эмиссии при низких напряжениях, наконечники массива полевых эмиттеров строятся на уровне микрометровых масштабов. Их производительность зависит от точной конструкции этих небольших структур. Они также зависят от того, чтобы быть изготовленными из материала, обладающего низкой рабочей функцией. Эти факторы могут сделать устройство чрезвычайно чувствительным к загрязнению, особенно от углеводородов и других крупных, легко полимеризующихся молекул. ^[44] Методы избежания, устранения или работы в присутствии загрязнений при наземных испытаниях и в ионосферных (например, газовыделение космического корабля) средах имеют решающее значение. Исследования в Мичиганском университете и других местах были сосредоточены на этой проблеме газовыделения. Защитные кожухи, электронная очистка, прочные покрытия и другие конструктивные особенности разрабатываются в качестве потенциальных решений. ^[44] FEA, используемые для космических приложений, по-прежнему требуют демонстрации долгосрочной стабильности, повторяемости и надежности работы при потенциалах затвора, соответствующих космическим приложениям. ^[49]

Полый катод

Полые катоды испускают плотное облако плазмы, сначала ионизируя газ. Это создает плазменный шлейф высокой плотности, который контактирует с окружающей плазмой. Область между струей высокой плотности и окружающей плазмой называется двойной оболочкой или двойным слоем. Этот двойной слой по сути представляет собой два смежных слоя заряда. Первый слой является положительным слоем на краю плазмы с высоким потенциалом (плазменное облако контактора). Второй слой является отрицательным слоем на краю плазмы с низким потенциалом (окружающая плазма). Дальнейшее исследование явления двойного слоя было проведено несколькими людьми. ^{[50] [51] [52] [53]} Один тип полого катода состоит из металлической трубки, облицованной вставкой из вольфрама, пропитанного спеченным оксидом бария, закрытой на одном конце пластиной с небольшим отверстием, как показано на рисунке ниже. ^{[54] [55]} Электроны испускаются из вставки, пропитанной оксидом бария, путем термоионной эмиссии. Благородный газ втекает в область вставки HC и частично ионизируется испускаемыми электронами, которые ускоряются электрическим полем вблизи отверстия (ксенон — это распространенный газ, используемый для HC, поскольку он имеет низкую удельную энергию ионизации (ионизационный потенциал на единицу массы). Для целей EDT меньшая масса была бы более выгодной, поскольку общая масса системы была бы меньше. Этот газ используется только для обмена зарядами, а не для движения.). Многие из ионизированных атомов ксенона ускоряются в стенки, где их энергия поддерживает температуру термоэлектронной эмиссии. Ионизированный ксенон также выходит из отверстия. Электроны ускоряются из области вставки через отверстие к хранителю, который всегда находится под более положительным смещением.

Схема системы полого катода. ^[54]

В режиме электронной эмиссии окружающая плазма положительно смещена относительно хранителя. В плазме контактора плотность электронов приблизительно равна плотности ионов. Электроны с более высокой энергией текут через медленно расширяющееся ионное облако, в то время как электроны с более низкой энергией захватываются внутри облака потенциалом хранителя. ^[55] Высокие скорости электронов приводят к электронным токам, намного большим, чем токи ионов ксенона. Ниже предела насыщения электронной эмиссии контактор действует как биполярный эмиссионный зонд. Каждый исходящий ион, генерируемый электроном, позволяет испускать некоторое количество электронов. Это число приблизительно равно квадратному корню из отношения массы иона к массе электрона.

На диаграмме ниже можно увидеть, как выглядит типичная кривая IV для полого катода в режиме электронной эмиссии. При наличии определенной геометрии держателя (кольцо на рисунке выше, через которое выходят электроны), скорости потока ионов и Vp можно определить профиль IV. ^{[54] [55] [56]} [111-113].

Типичная кривая вольт-амперной характеристики для полого катода. ^[56]

Работа HC в режиме сбора электронов называется рабочим режимом плазменного контакта (или зажигания). «Зажженный режим» так называется, потому что он указывает на то, что многоамперные уровни тока могут быть достигнуты с помощью падения напряжения на плазменном контакторе. Это ускоряет электроны космической плазмы, которые ионизируют нейтральный поток вытеснителя из контактора. Если токи сбора электронов высоки и/или плотность электронов в окружающей среде низкая, оболочка, в которой поддерживается сбор тока электронов, просто расширяется или сжимается до тех пор, пока не будет собран требуемый ток.

Кроме того, геометрия влияет на выброс плазмы из HC, как показано на рисунке ниже. Здесь видно, что в зависимости от диаметра и толщины держателя и расстояния от него по отношению к отверстию, общий процент выброса может быть затронут. ^[57]

Типичная схема, описывающая геометрию эмиссии углеводородов. ^[57]

Краткое описание сбора и выброса плазмы

Все методы эмиссии и сбора электронов можно суммировать в следующей таблице. Для каждого метода есть описание того, увеличились или уменьшились ли электроны или ионы в системе в зависимости от потенциала космического корабля по отношению к плазме. Электроны (e-) и ионы (ions+) указывают, что количество электронов или ионов увеличивается (↑) или уменьшается (↓). Кроме того, для каждого метода применяются некоторые особые условия (см. соответствующие разделы в этой статье для дальнейшего разъяснения того, когда и где он применяется).

Для использования в моделировании системы EDT каждая из моделей теории пассивного сбора и эмиссии электронов была проверена путем воспроизведения ранее опубликованных уравнений и результатов. Эти графики включают: теорию ограниченного орбитального движения, ^[15] сбор Ram и тепловой сбор, ^[58] фотоэмиссию, ^[59] вторичную электронную эмиссию, ^[60] и вторичную ионную эмиссию. ^{[61] [62] [63] [64]}

Основы электродинамической тросовой системы

Для того, чтобы объединить все новейшие электронные эмиттеры, коллекторы и теорию в единую модель, необходимо сначала определить и вывести систему EDT. После того, как это будет сделано, можно будет применить эту теорию к определению оптимизаций атрибутов системы.

Существует ряд выводов, которые решают потенциалы и токи, вовлеченные в систему EDT, численно. ^{[65] [66] [67] [68]} Описывается вывод и численная методология полной системы EDT, которая включает в себя секцию голого троса, изолирующий проводящий трос, электронные (и ионные) конечные эмиттеры и пассивный сбор электронов. Затем следует упрощенная модель полностью изолированного троса. Затем будут обсуждаться особые явления EDT и проверка модели системы EDT с использованием экспериментальных данных миссии.

Вывод системы голого троса

Важное замечание относительно вывода EDT относится к небесному телу, вокруг которого вращается тросовая система. Для практичности Земля будет использоваться как тело, вокруг которого вращается; однако эта теория применима к любому небесному телу с ионосферой и магнитным полем.

Координаты — это первое, что должно быть определено. Для целей этого вывода оси x и y определяются как направления восток-запад и север-юг относительно поверхности Земли соответственно. Ось z определяется как направление вверх-вниз от центра Земли, как показано на рисунке ниже. Параметры — магнитное поле B , длина троса L и орбитальная скорость v _orb — являются векторами, которые можно выразить в терминах этой системы координат, как в следующих уравнениях:

${\displaystyle \mathbf {B} =B_{x}{\hat {x}}+B_{y}{\hat {y}}+B_{z}{\hat {z}}}$ (вектор магнитного поля),

${\displaystyle \mathbf {L} =L\cos \alpha _{\mathrm {out} }\sin \alpha _{\mathrm {in} }{\hat {x}}+L\sin \alpha _{\mathrm {out} }{\hat {y}}+L\cos \alpha _{\mathrm {out} }\cos \alpha _{\mathrm {in} }{\hat {z}}}$ (вектор положения троса) и

${\displaystyle \mathbf {v} _{\mathrm {orb} }=v_{\mathrm {orb} }\cos \lambda _{\mathrm {out} }\sin \lambda _{\mathrm {in} }{\hat {x}}+v_{\mathrm {orb} }\sin \lambda _{\mathrm {out} }{\hat {y}}+v_{\mathrm {orb} }\cos \lambda _{\mathrm {out} }\cos \lambda _{\mathrm {in} }{\hat {z}}}$ (вектор орбитальной скорости).

Компоненты магнитного поля можно получить непосредственно из модели International Geomagnetic Reference Field (IGRF). Эта модель составлена ​​в результате совместных усилий разработчиков моделей магнитного поля и институтов, занимающихся сбором и распространением данных о магнитном поле со спутников, обсерваторий и обследований по всему миру. Для этого вывода предполагается, что линии магнитного поля имеют одинаковый угол по всей длине троса, и что трос жесткий.

Вектор орбитальной скорости

Реалистично, поперечные электродинамические силы заставляют трос изгибаться и отклоняться от локальной вертикали. Затем силы градиента гравитации создают восстанавливающую силу, которая тянет трос обратно к локальной вертикали; однако это приводит к маятниковому движению (силы градиента гравитации также приводят к маятниковым движениям без сил ЭД). Направление B изменяется по мере того, как трос вращается вокруг Земли, и, таким образом, направление и величина сил ЭД также изменяются. Это маятниковое движение может перерасти в сложные либрации как в плоскости, так и вне плоскости. Затем, из-за связи между движением в плоскости и продольными упругими колебаниями, а также связи между движениями в плоскости и вне плоскости, электродинамический трос, работающий при постоянном токе, может непрерывно добавлять энергию к либрационным движениям. Этот эффект затем имеет шанс вызвать рост амплитуд либрации и в конечном итоге вызвать дикие колебания, включая такие, как «эффект скакалки», ^[69] , но это выходит за рамки этого вывода. В невращающейся системе EDT (вращающаяся система, называемая Momentum Exchange Electrodynamic Reboost [MXER]), трос находится преимущественно в направлении z из-за естественного выравнивания градиента гравитации с Землей.

Производные

Следующий вывод опишет точное решение системы, учитывающее все задействованные векторные величины, а затем второе решение с номинальным условием, где магнитное поле, орбитальная скорость и ориентация троса перпендикулярны друг другу. Окончательное решение номинального случая решается только в терминах электронной плотности n_e, сопротивления троса на единицу длины R_t и мощности источника питания высокого напряжения P_hvps.

На рисунке ниже представлена ​​типичная система EDT в конфигурации последовательного смещения заземленного затвора (более подробное описание различных типов проанализированных конфигураций было представлено в ^[16] ) с увеличением бесконечно малого участка голого троса. Эта фигура симметрично установлена, так что любой конец может использоваться в качестве анода. Эта система троса симметрична, поскольку вращающиеся системы троса должны будут использовать оба конца в качестве анодов и катодов в какой-то момент своего вращения. V_hvps будет использоваться только в катодном конце системы EDT и в противном случае будет выключен.

(a) Принципиальная схема сегмента голого троса с (b) эквивалентной схемой системы EDT, демонстрирующей конфигурацию последовательного смещения и заземленного затвора.

Направление в плоскости и вне плоскости определяется вектором орбитальной скорости системы. Сила в плоскости действует в направлении движения. Она добавляет или удаляет энергию из орбиты, тем самым увеличивая высоту, изменяя орбиту на эллиптическую. Сила вне плоскости действует в направлении, перпендикулярном плоскости движения, что вызывает изменение наклона. Это будет объяснено в следующем разделе.

Для расчета направлений в плоскости и вне плоскости необходимо получить компоненты векторов скорости и магнитного поля и рассчитать значения силы. Компонент силы в направлении движения будет способствовать повышению возможностей подъема орбиты, в то время как компонент тяги вне плоскости изменит наклон. На рисунке ниже вектор магнитного поля направлен исключительно на север (или ось y), и можно увидеть результирующие силы на орбите с некоторым наклоном. Орбита без наклона будет иметь всю тягу в направлении в плоскости. ^[70]

Была проведена работа по стабилизации либраций системы троса для предотвращения смещения троса относительно градиента гравитации. На рисунке ниже показаны эффекты сопротивления, с которыми столкнется система EDT для типичной орбиты. Угол в плоскости, α_ip, и угол вне плоскости, α_op, можно уменьшить, увеличив конечную массу системы или применив технологию обратной связи. ^[69] Любые отклонения в выравнивании гравитации должны быть поняты и учтены в конструкции системы.

Межзвездные путешествия

Применение системы EDT рассматривалось и исследовалось для межзвездных путешествий с использованием локальной межзвездной среды Местного пузыря . Было обнаружено, что систему EDT можно использовать для подачи бортового питания при экипаже из 50 человек с потребностью в 12 киловатт на человека. Выработка энергии достигается за счет кинетической энергии космического корабля. В обратном направлении система EDT может использоваться для ускорения. Однако это оказалось неэффективным. Поворот без тяги с использованием системы EDT возможен для коррекции курса и сближения в межзвездном пространстве. Однако это не позволит осуществлять быстрое без тяги вращение, чтобы позволить звездолету повторно войти в энергетический луч или совершить многочисленные солнечные проходы из-за чрезвычайно большого радиуса поворота 3,7*10 ¹³ км (~3,7 световых лет ). ^[71]

Смотрите также

• ЗВЕЗДЫ-II
• ХТВ-6
• Тросовая тяга
• Магнитное поле Земли
• Спутниковый привязной
• Атмосферное электричество
• СТС-75
• Магнитный парус
• Электрический парус
• Двигательная установка космического корабля

Ссылки

Общая информация

• Космо, М. Л. и Лоренцини, Э. К., «Справочник по тросам в космосе», Центр космических полетов им. Маршалла НАСА, 1997 г., стр. 274–1-274.
• Мариани, Ф., Кандиди, М., Орсини, С., «Ток через высоковольтные оболочки, наблюдаемый в эксперименте TEMAG во время TSS-1R», Geophysical Research Letters, т. 25, № 4, 1998, стр. 425–428.

Цитаты

1. NASA, Tethers In Space Handbook, под редакцией ML Cosmo и EC Lorenzini, третье издание, декабрь 1997 г. (дата обращения: 20 октября 2010 г.); см. также версию в NASA MSFC, архив 2011-10-27 на Wayback Machine ; доступно на scribd
2. Мессье, Дуг (12 марта 2012 г.). «Компания получает 1,9 миллиона долларов от НАСА на разработку космического корабля для удаления мусора». Parabolic Arc . Получено 15 марта 2012 г.
3. Johnson & Herrmann (1998). "Исследование повторного запуска электродинамического троса Международной космической станции" (PDF) .
4. Фурхоп, KR, Гилкрист, BE, Билен, SG, «Системный анализ ожидаемых характеристик электродинамического троса для миссии ProSEDS», 39-я совместная конференция AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательным установкам, AIAA, 2003, стр. 1–10.
5. Джонсон, Л., Эстес, Р. Д., Лоренцини, Э. К., «Эксперимент с системой развертывания малого расходуемого двигателя», Журнал космических аппаратов и ракет, т. 37, № 2, 2000 г., стр. 173–176.
6. Лоренцини, EC, Вельзин, K. и Космо, ML, «Ожидаемая динамика развертывания ProSEDS», 39-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательным установкам, AIAA, 2003, стр. 1–9.
7. Санмартин, Дж. Р., Чарро, М., Лоренцини, Э. К., «Анализ теста ProSEDS сбора данных без троса», 39-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательным установкам, AIAA, 2003, стр. 1–7.
8. Вон, JA, Кертис, L., Гилкрист, BE, «Обзор разработки миссии ProSEDS Electrodynamic Tether», 40-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательным установкам, AIAA, 2004, стр. 1–12.
9. Sanmartin, JR, Martinez-Sanchez, M., and Ahedo, E., «Аноды из неизолированной проволоки для электродинамических тросов», Journal of Propulsion and Power, т. 9, № 3, 1993, стр. 353–360
10. Генератор энергии на тросе для спутников на околоземной орбите. Томас Г. Робертс и др.
11. Katz, I.; Lilley, JR Jr.; Greb, A. (1995). «Плазменная турбулентность, усиленная токосъемом: результаты полета электродинамического троса плазменного генератора двигателя». J. Geophys. Res . 100 (A2): 1687–90. Bibcode : 1995JGR...100.1687K. doi : 10.1029/94JA03142.
12. Патент США 6116544, Форвард и Хойт, Электродинамический трос и способ его использования, 1986 г.
13. Либерман, MA, и Лихтенберг, AJ, «Принципы плазменных разрядов и обработки материалов», Wiley-Interscience, Хобокен, Нью-Джерси, 2005, стр. 757.
14. Мотт-Смит, Х. М. и Ленгмюр, И., «Теория коллекторов в газовых разрядах», Physical Review, т. 28, 1926, стр. 727–763.
15. Choinere, E., «Теория и экспериментальная оценка согласованной стационарной кинетической модели для двумерных проводящих структур в ионосферной плазме с применением к голым электродинамическим тросам в космосе», 2004, стр. 1–313.
16. Fuhrhop, KRP, «Теория и экспериментальная оценка электродинамических тросовых систем и связанных с ними технологий», докторская диссертация Мичиганского университета, 2007 г., стр. 1-307. «Теория и экспериментальная оценка электродинамических тросовых систем и связанных с ними технологий» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2011-08-14 . Получено 2011-04-04 .
17. Розен, Г. (1962). "Метод удаления свободных электронов в плазме". Phys. Fluids . 5 (6): 737. Bibcode :1962PhFl....5..737R. doi : 10.1063/1.1706691 .
18. электронное письмо от Роберта Мерлино Джеральду Розену, 22 января 2010 г. Архивировано 29 апреля 2014 г. на Wayback Machine
19. Санмартин, Дж. Р. и Эстес, Р. Д., «Режим ограничения орбитального движения цилиндрических зондов Ленгмюра», Физика плазмы, т. 6, № 1, 1999, стр. 395–405.
20. Choiniere, E., Gilchrist, BE, Bilen, SG, «Измерение эффектов геометрии поперечного сечения при сборе электронов длинными зондами в мезозвуковой текущей плазме», 39-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательным установкам, AIAA, 2003, стр. 1–13.
21. Шуаньер, Э. и Гилкрист, Б.Г., «Исследование эффектов потока ионосферной плазмы на токосъем в параллельных проводах с использованием самосогласованного стационарного кинетического моделирования», 41-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по движению, AIAA, 2005, стр. 1–13.
22. Паркер, Л. В., «Теория плазмооболочки-фотооболочки для больших высоковольтных космических конструкций», под редакцией Х. Б. Гарретта и К. П. Пайка, Космические системы и их взаимодействие с космической средой Земли, AIAA Press, 1980, стр. 477–491.
23. Гомбоши, ТИ, «Физика космических сред», Десслер, А. Дж. Хоутон, Дж. Т. и Райкрофт, М. Дж. Ред., Издательство Кембриджского университета, Кембридж, Великобритания, 1998, стр. 1–339.
24. Стоун, Н. Х. и Бонифази, К., «Миссия TSS-1R: обзор и научный контекст», Geophysical Research Letters, т. 25, № 4, 1998, стр. 409–412.
25. Грегори, Ф.Д., «Руководящие принципы стандартов безопасности НАСА и процедуры оценки для ограничения орбитального мусора», НАСА, NSS 1740.14, Вашингтон, округ Колумбия, 1995 г.
26. Билица, Д., «Международный справочник по ионосфере 2000», Radio Science, т. 36, № 2, 2001, стр. 261–275.
27. Билица, Д., «Международная справочная ионосфера – Статус 1995/96», Advanced Space Research, т. 20, № 9, 1997, стр. 1751–1754.
28. Wertz, JR, и Larson, WJ eds., «Анализ и проектирование космических миссий», Microcosm Press & Kluwar Academic Publishers, Эль-Сегундо, Калифорния, 1999, стр. 1–985.
29. Стоун, Н. Х. и Гиров, П. А., «Предварительная оценка пассивных конечных плазменных контакторов», 39-я конференция и выставка по аэрокосмическим наукам, AIAA, 2001, стр. 1–6.
30. Стоун, Н. Х. и Мур, Дж. Д., «Сетчатые сферические электроды, используемые для сбора тока на положительном полюсе электродинамических тросов», 45-я конференция AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC по конструкциям, динамике конструкций и материалам, AIAA, 2004, стр. 1–7.
31. Хазанов, Г.В., Криворуцкий, Э. и Шелдон, Р.Б., «Токосъем сплошных и сетчатых сфер с учетом результатов миссий спутниковой системы TSS 1 и TSS 1R», Журнал геофизических исследований, т. 110, 2005, стр. 1–10.
32. Чайлд, К. Д. , «Выделение из горячего CaO», Physical Review (серия I), т. 32, № 5, 1911, стр. 492–511.
33. Ленгмюр, И. , «Влияние пространственного заряда и начальных скоростей на распределение потенциала и термоионный ток между параллельными плоскими электродами», Physical Review, т. 21, № 4, 1923, стр. 419–435
34. Ленгмюр, И., «Влияние пространственного заряда и остаточных газов на термоионные токи в высоком вакууме», Physical Review, т. 2, № 6, 1913, стр. 450–486.
35. Лугинсленд, Дж. В., Макги, С. и Лау, Й. Я., «Формирование виртуального катода из-за электромагнитных переходных процессов», Труды IEEE по плазме, т. 26, № 3, 1998 г., стр. 901–904.
36. Лау, YY, «Простая теория двумерного закона Чайлда-Ленгмюра», Physical Review Letters, т. 87, № 27, 2001, стр. 278301/1-278301/3.
37. Лугинсленд, Дж. В., Лау, Й. Ю. и Гилгенбах, Р. М., «Двумерный закон Чайлда-Ленгмюра», Physical Review Letters, т. 77, № 22, 1996, стр. 4668–4670.
38. Хамфрис, С.Дж., «Пучки заряженных частиц», John Wiley & Sons, Inc., Нью-Йорк, 1990, стр. 834.
39. Деккер, А. Дж., «Термоионная эмиссия», McGraw Hill Access Science Encyclopedia, т. 2004, № 5 / 3, 2002, стр. 2.
40. Добровольный, М., и Стоун, Нью-Хэмпшир, «Технический обзор TSS-1: первая миссия привязной спутниковой системы», Il Nuovo Cimento Della Societa Italiana Di Fisica, Vol. 17С, № 1, 1994 г., стр. 1–12.
41. Бонифази К., Свелто Ф. и Саббах Дж., «Основное оборудование TSS I - электродинамический пакет и обоснование для системного электродинамического анализа», Il Nuovo Cimento Della Societa Italiana Di Fisica, Vol. 17С, № 1, 1994, стр. 13–47.
42. Гюнтер, К., «Цитата о полом катоде/источнике ионов», HeatWave Labs, Inc., 3968, Уотсонвилл, Калифорния, 2006.
43. Gomer, R., «Автоэлектронная эмиссия», McGraw Hill Access Science Encyclopedia, т. 2005, № 1 июля 2002 г., стр. 2.
44. Моррис, Д., «Оптимизация пределов пространственного заряда при эмиссии электронов в плазму в космическом электрическом движении», Мичиганский университет, 2005, стр. 1–212.
45. Окава, Ё. (декабрь 2020 г.). «Обзор эксперимента KITE — электродинамического троса на японском транспортном средстве H-II», Acta Astronautica, т. 177 , стр. 750–758. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.03.014 Получено 16 июля 2021 г.
46. Спиндт, К.А., Холланд, К.Э. и Розенгрин, А. Броди, И., «Матрицы полевых эмиттеров для вакуумной микроэлектроники», Труды IEEE по электронным приборам, т. 38, № 10, 1991, стр. 2355–2363.
47. Спиндт, К.А., «Измерения излучателя Спиндта», неопубликованный материал Стэнфордского исследовательского института, 2001, стр. 1.
48. Йенсен, К. Л., «Масштабы полевых эмиттеров для плазменных и микроволновых источников», Физика плазмы, т. 6, № 5, 1999, стр. 2241–2253.
49. Гилкрист, Б. Э., Галлимор, А. Д., Дженсен, К. Л., «Катоды с полевой эмиттерной матрицей (FEAC) для космических приложений: перспективная технология», не опубликовано, Мичиганский университет, 2001.
50. Лапуэрта, В. и Ахедо, Э., «Динамическая модель плазменной структуры с промежуточным двойным слоем, сформированной вне анодного плазменного контактора», Физика плазмы, т. 7, № 6, 2000, стр. 2693–2703.
51. Уэллс, АА, «Ток через двойной плазменный слой в ионном двигателе с полым катодом», 9-я конференция AIAA по электрическому движению, AIAA, 1972, стр. 1–15.
52. Эндрюс, Дж. Г. и Аллен, Дж. Э., «Теория двойной оболочки между двумя плазмами», Труды Лондонского королевского общества, серия A, т. 320, № 1543, 1971, стр. 459–472.
53. Преветт, П. Д. и Аллен, Дж. Э., «Двойная оболочка, связанная с горячим катодом», Труды Лондонского королевского общества, серия A, т. 348, № 1655, 1976, стр. 435–446.
54. Кац, И., Андерсон, Дж. Р., Полк, Дж. Э., «Одномерная модель полого катода», Журнал движения и энергетики, т. 19, № 4, 2003, стр. 595–600.
55. Katz, I., Lilley, JR Jr., Greb, A., «Токосбор, усиленный плазменной турбулентностью: результаты полета электродинамического троса плазменного двигателя-генератора», Журнал геофизических исследований, т. 100, № A2, 1995, стр. 1687–1690.
56. Parks, DE, Katz, I., Buchholtz, B., «Характеристики расширения и электронной эмиссии плазменного контактора с полым катодом», Журнал прикладной физики, т. 74, № 12, 2003, стр. 7094–7100.
57. Domonkos, MT, «Оценка слаботочных полых катодов с отверстиями», докторская диссертация Мичиганского университета, 1999, стр. 1–173.
58. Агуэро, В.М., «Исследование электрической зарядки на больших космических аппаратах на низкой околоземной орбите с использованием привязанного спутника в качестве удаленного источника плазмы», Стэнфордский университет, Лаборатория космоса, телекоммуникаций и радионауки, 1996, стр. 1–192
59. Уиппл, EC, «Потенциалы поверхностей в пространстве», Report of Progress in Physics, т. 44, 1981, стр. 1197–1250.
60. Хастингс, Д. и Гарретт, Х., «Взаимодействие космического корабля с окружающей средой», Cambridge University Press, Нью-Йорк, 1996, стр. 292.
61. Siegel, MW, и Vasile, MJ, «Новый широкоугольный анализатор с высокой пропускающей способностью для масс-спектрометрии вторичных ионов», Review of Scientific Instrumentation, т. 52, № 11, 1981, стр. 1603–1615.
62. Беннингховен, А., «Развитие вторично-ионной масс-спектроскопии и ее применение в исследованиях поверхности», Surface Science, т. 53, 1975, стр. 596–625
63. Беннингховен, А., «Исследование поверхности твердых тел статистическим методом вторично-ионной масс-спектроскопии (SIMS)», Surface Science, т. 35, 1973, стр. 427–457.
64. Беннингховен, А. и Мюллер, А., «Выход вторичных ионов около 1 для некоторых химических соединений», Physics Letters, т. 40A, № 2, 1972, стр. 169–170.
65. Добровольны, М., «Электродинамика длинных металлических тросов в ионосферной плазме», Радионаука, т. 13, № 3, 1978, стр. 417–424.
66. Арнольд, Д. А. и Добровольны, М., «Модель линии передачи взаимодействия длинного металлического провода с ионосферой», Radio Science, т. 15, № 6, 1980, стр. 1149–1161.
67. Добровольни, М., Ваннарони, Г. и ДеВенуто, Ф., «Электродинамическое сведение с орбиты спутников LEO», Nuovo Cimento, т. 23C, № 1, 2000, стр. 1–21.
68. Добровольни, М., Коломбо, Г. и Гросси, М.Д., «Электродинамика длинных проводящих тросов в околоземной среде», Промежуточный отчет Смитсоновской астрофизической обсерватории, 1976, стр. 1–48.
69. Хойт, RP, «Стабилизация электродинамических тросов», 38-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательным установкам, 2002 г., стр. 1–9.
70. Бонометти, JA, Соренсен, KF, Янсен, RH, «Свободный повторный электродинамический трос на Международной космической станции», 41-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательным установкам, AIAA, 2005, стр. 1–7.
71. «Применение электродинамического троса в межзвездных путешествиях» Грегори Л. Мэтлофф, Less Johnson, февраль 2005 г.

Дальнейшее чтение

• Добровольны, М. (1979). Волновые и корпускулярные явления, вызванные электродинамическим тросом . Специальный отчет SAO, 388. Кембридж, Массачусетс: Астрофизическая обсерватория Смитсоновского института.
• Уильямсон, П. Р. (1986). Высоковольтные характеристики электродинамического троса и генерация мощности и тяги, окончательный отчет . [Отчет подрядчика НАСА], NASA CR-178949. Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства.

Внешние ссылки

Связанные патенты

• Патент США 3,174,705 , « Космическая станция и система для ее эксплуатации ».
• Патент США 3,205,381 , « Ионосферная батарея ».
• Патент США 4,097,010 , « Спутник, соединенный посредством длинного троса с работающим космическим аппаратом ».
• Патент США 6,116,544 , « Электродинамический трос и способ его использования ».

Публикации

• Samanta Roy, RI; Hastings, DE; Ahedo, E. (1992). «Системный анализ электродинамических тросов». J Spacecr Rockets . 29 (3): 415–424. Bibcode : 1992JSpRo..29..415S. doi : 10.2514/3.26366.
• Ахедо, Э.; Санмартин, Дж. Р. (март–апрель 2002 г.). «Анализ систем с голыми тросами для спуска спутников с низкой околоземной орбиты». J Spacecr Rockets . 39 (2): 198–205. Bibcode : 2002JSpRo..39..198A. doi : 10.2514/2.3820.
• Пелаес, Дж.; Санчес-Арриага, Г.; Санхурджо-Риво, М. (октябрь 2012 г.). Самобалансированные электродинамические тросы для борьбы с космическим мусором. 57-я Международная астронавтическая конференция. Валенсия, Испания: AIAA . doi :10.2514/6.IAC-06-B6.4.03. ISBN 978-1-62410-042-0. Получено 6 ноября 2022 г. .
• Cosmo, ML, и EC Lorenzini, " Tethers in Space Handbook " (3-е изд.). Подготовлено для NASA/MSFC Смитсоновской астрофизической обсерваторией, Кембридж, Массачусетс, декабрь 1997 г. ( PDF )
• Эстес, РД; Лоренцини, ЭЦ; Санмартин, Дж. Р.; Мартинес-Санчес, М.; Савич, Н. А. (декабрь 1995 г.). "Новые высоковольтные тросы: жизнеспособный источник питания для космической станции? Белая книга" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2006-02-18.
• Савич, NA; Санмартин, JR (1994). «Короткий, сильноточный электродинамический трос». Proc. Int. Round Table on Tethers in Space . стр. 417.
• Маккой, Джеймс Э. и др. (апрель 1995 г.). «Результаты эксперимента по полету плазменного двигателя-генератора (ПМГ)». Труды 4-й Международной конференции по тросам в космосе . Вашингтон, округ Колумбия. С. 57–84.

Другие статьи

• " Электродинамические тросы Архивировано 17.05.2011 на Wayback Machine ". Tethers.com.
• « Шаттловая электродинамическая тросовая система (SETS) ».
• Энрико Лоренцини и Хуан Санмартин, « Электродинамические тросы в космосе; используя фундаментальные физические законы, тросы могут обеспечить недорогую электроэнергию, сопротивление, тягу и искусственную гравитацию для космических полетов ». Scientific American, август 2004 г.
• " Tethers ". Учебное пособие по астрономии, BookRags.
• Дэвид П. Стерн, « Эксперимент с космическим тросом ». 25 ноября 2001 г.