ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА
ISSN 1561-9184 (друкована версія), ISSN 2616-6380 (електронна версія)

ГОЛОВНА    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЕГІЯ    АВТОРАМ    ПОТОЧНИЙ ВИПУСК    АРХІВ    КОНТАКТИ

УДК 533.9

Технічна механіка, 2018, 2, 60 - 70

ШТУЧНА МІНІ-МАГНІТОСФЕРА ЯК ЗАСІБ КЕРУВАННЯ РУХОМ КОСМІЧНОГО АПАРАТА В ІОНОСФЕРІ ЗЕМЛІ

Кучугурний Ю. П., Кулагін С. М., Носіков С. В., Цокур А. Г.

Кучугурний Ю. П.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України
Україна

Кулагін С. М.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України
Україна

Носіков С. В.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України
Україна

Цокур А. Г.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України
Україна

      Для обгрунтування можливості керування рухом космічних апаратів в іоносфері за допомогою пристрою типу «магнітний парус» проаналізовано результати серії експериментальних досліджень взаємодії моделей космічних апаратів з гіперзвуковим потоком розрідженої плазми. Запропоновано ідею експерименту на навколоземній орбіті з використанням мікросупутника CubeSat. Якщо на борту космічного апарата розташувати джерело сильного магнітного поля, то при обтіканні такого «намагніченого» апарата гіперзвуковим потоком розрідженої плазми утворюється неоднорідна плазмова структура, подібна до магнітосфер планет – штучна міні-магнітосфера. При цьому джерелу поля буде передаватися частина імпульсу плазмового потоку; з'являться додаткві сили, що діють на космічний апарат. Цей принцип полягає в основі «магнітного парусу» як нереактивного магнітогідродинамічного двигунового пристрою, що використовує кінетичну енергію «сонячного вітру». На плазмо¬електро¬динамічному стенді проведено експериментальні дослідження взаємодії моделей космічних апаратів з потоком плазми. Визначено залежності сили опору та підйомної сили, що діють на моделі, від параметрів потоку і магнітного поля. Показано, що штучна міні-магнітосфера може бути ефективним засобом керування рухом космічного апарату в іоносфері Землі. Для проведення експерименту в навколоземному просторі на мікросупутнику встановлюється конструкція з постійних магнітів в оболонці, що екранує магнітне поле. Визначаються зміни орбіти супутника, які відбуваються після зняття екрану, в залежності від параметрів магнітного поля. Цей експеримент був би першою перевіркою концепції «магнітного парусу» як рушія для космічних апаратів. Керування рухом «намагніченого» тіла за рахунок довготермінової взаємодії магнітного поля з іоносферною плазмою може служити ключовим елементом принципово нової технології очистки іоносфери від об'єктів «космічного сміття».

космічний апарат, кубсат, YuzhSat, іоносфера, міні-магнітосфера, плазма, магнітний парус, фізичне моделювання, плазмоелектродинамічний стенд

1. Паркер Е. Солнечный ветер. Успехи физических наук. 1964. Т. 84, № 1. С. 169–182.

2. Модель Космоса. В 2 т. Т. 1 Физические условия в космическом пространстве / Ред. М. И. Панасюк, Л. С. Новиков. – 8-е изд. – Москва: Книжн. Дом Университет, 2007. – 872 с.

3. Zubrin R. M. Andrews D. G. Magnetic Sails and Interplanetary Travel. Journal of Spacecraft and Rockets. 1991. V. 28, N. 2. P. 197–203.

4. Winglee R. M., Slough J., Ziemba T., Goodson A. Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion: Tapping the en-ergy of the solar wind for spacecraft propulsion. Journal of Geophysical Research. 2000. V. 105, N. A9. P. 21067–21077.

5. Janhunen P. Electric Sail for Spacecraft Propulsion. Journal of Propulsion and Power. 2004. V. 20, N. 4. P. 763–764.

6. Антонов В. М. и др. Лабораторные эксперименты с терреллой: влияние кинетических масштабов на физическое подобие планетарным магнитосферам // Современные достижения в плазменной гелиогео-физике / Ред. Л. М. Зеленый, А. А. Петрукович , И. С. Веселовский. Москва: Институт космических ис-следований РАН, 2016. 672 с. C. 383–406.

7. Bamford R., Gibson K. J., Thornton A. J., Bradford J. et al. The interaction of a flowing plasma with a dipole magnetic field: measurements and modelling of a diamagnetic cavity relevant to spacecraft protection. Plasma Phys. Control. Fusion. 2008. V. 50, N. 12. Art. 124025 (11pp).

8. Битюрин В. А., Бочаров А. Н. О наземных МГД-экспериментах в гиперзвуковых потоках. Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48, В. 6. С. 916–923.

9. Shuvalov V. A., Tokmak N. A., Pis’mennyi N. I., Kochubei G. S. Control of the Dynamic Interaction of a “Mag-netized” Sphere with a Hypersonic Flow of Rarefied Plasma. High Temperature. 2015. V. 53, N. 4. Р. 463–469. Русск. перев.: Шувалов В. А., Токмак Н. А., Письменный Н. И., Кочубей Г. С. Управление динами-ческим взаимодействием “намагниченной” сферы с гиперзвуковым потоком разреженной плазмы. Теп-лофизика высоких температур. 2015. Т. 53, № 4. С. 487–493.

10. Shuvalov V. A., Tokmak N. A., Pis’mennyi N. I., Kochubei G. S. Dynamic interaction of a magnetized solid body with a rarefied plasma flow. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2016. V 57, N. 1. P. 145–152. Русск. перев.: Шувалов В. А., Токмак Н. А., Письменный Н. И., Кочубей Г. С. Динамическое взаимодействие твердого намагниченного тела с потоком разреженной плазмы. Прикладная механика и техническая физика. 2016. Т. 57, № 1. С. 167–175.

11. Шувалов В. А., Кочубей Г. С., Лазученков Д. Н. Взаимодействие космических аппаратов с потоками плазмы и электромагнитного излучения в атмосфере Земли. Техническая механика. 2015. № 4. С. 117–125.

12. Шувалов В. А., Кулагин С. Н., Кочубей Г. С., Токмак А. А. Физическое моделирование эффектов взаи-модействия «намагниченных» тел с атмосферой Земли в гиперзвуковом потоке разряженной плазмы. Теплофизика высоких температур. 2012. Т. 50, № 3. С. 337–345.

13. Токмак Н. А., Кучугурный Ю. П., Кочубей Г. С., Цокур А. Г. Мини-магнитосфера как средство управ-ления космическим аппаратом в ионосфере Земли. 17 Українська конференція з космічних досліджень, (Одеса, 21–25 серпня 2017 р.). Тези допов. Київ: ІКІ НАНУ і ДКАУ, 2017. 232 с. С. 223.

14. Шувалов В. А., Кучугурный Ю. П. Экспериментальное обоснование концепции искусственной мини-магнитосферы как средства управления движением космических аппаратов в ионосфере Земли. Космич. наука и технология. 2018. Т. 24, № 2. С. 43–46.

15. Шувалов В. А., Горев Н. Б., Кулагин С. Н., Кучугурный Ю. П. Торможение объекта «космического му-сора» с помощью собственного магнитного поля в ионосфере земли. Физическое моделирование. Кос-мические исследования. – (в печати).

16. Fujita K. Particle simulation of moderately-sized magnetic sail. Journal of Space Technology Science. 2004. V. 20, N. 2. P. 26–31.

17. Нишида А. Геомагнитный диагноз магнитосферы. Москва: Мир, 1980. 302 с.

18. Акасофу С. И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. В 2 ч., Ч. 2. Москва: Мир, 1975. 512 с.

19. Технічні характеристики мікросупутникової платформи YuzhSat. Положення про порядок конкурсного відбору проектів корисного навантаження платформи YuzhSat. 2017. С. 3–5. URL: http://space-conf.ikd.kiev.ua/conference/info (Конкурс №2).

Copyright (©) 2018 Кучугурний Ю. П., Кулагін С. М., Носіков С. В., Цокур А. Г.

Copyright © 2014-2018 Технічна механіка