ОЦІНКА ЗМІНИ ЗНАЧЕНЬ ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНОЇ КОСМІЧНОЇ ТРОСОВОЇ СИСТЕМИ ВНАСЛІДОК ТЕПЛОВИХ ВПЛИВІВ

Анотація

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.03.031

Доопрацьовано модель визначення зміни температури троса при орбітальному русі, що є важливим питанням для функціонування пасивних електродинамічних космічних тросових систем (ЕДКТС) з термоелектронним покриттям. Показано, що термоелектронне покриття троса істотно збільшує збирання струмів системою, що значно підвищує ефективність функціонування ЕДКТС порівняно з пасивною ЕДКТС без додаткових контакторів. Проведено дослідження впливу теплових режимів функціонування на зміну значень параметрів ЕДКТС. Для визначення зміни температури елементів ЕДКТС використано рівняння теплового балансу, яке враховує тепловий потік прямого сонячного випромінювання, потік відбитого Землею сонячного випромінювання, тепловий потік власного випромінювання Землі, втрати в результаті атмосферного опору, омічні втрати в електродинамічному тросі, втрати за рахунок електронних ударів, тепловий потік, що випромінюється поверхнею троса, тепловий потік за рахунок теплопровідності троса. Для розрахунку електричних струмів при функціонуванні ЕДКТС в пасивному режимі використовуються моделі, які ґрунтуються на моделях орбітально обмеженого струму для анодної частини троса та на теорії Річардсона–Дешмана для повної емісії для катодного сегменту троса. Показано, що при проєктуванні та створенні ЕДКТС одним з важливих питань є вибір матеріалу троса, який повинен відповідати деяким вимогам до його характеристик. Параметри матеріалу, які необхідно враховувати, є його теплоємність, коефіцієнти поглинання сонячного світла та випромінювання світла у інфрачервоному діапазоні. Ці параметри є ключовими при розрахунку зміни температури системи. Для матеріалів з більшою теплоємністю процеси нагрівання та остигання поверхні елементів системи будуть проходити повільніше. Показано, що екстремальні температури елементів системи на тіньовій і освітленій ділянці орбіти істотно залежать від відношення коефіцієнтів поглинання сонячного випромінювання і випромінювання світла матеріалом троса в інфрачервоному діапазоні. Це відношення визначається як конкретним матеріалом, так і наявністю в ньому домішок, ступенем шорсткості чи дзеркальності поверхні.

ПОСИЛАННЯ

1. Sánchez-Arriaga G., Naghdi S., Wätzig K., Schilm J., Lorenzini E. C. , Tajmar M., Urgoiti E., Tarabini Castellani L., Plaza J. F. , Post J. F. The E.T.PACK project: Towards a fully passive and consumable-less deorbit kit based on low-work-function tether technology. Acta Astronautica. 2020. V. 177. P. 821–827. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.03.036

2. Sánchez-Arriaga G., Sanmartin J. R. Electrical model and optimal design scheme for low work-function tethers in thrust mode. Aerospace science and technology. 2020. V. 96, Paper 105519.  https://doi.org/10.1016/j.ast.2019.105519

3. Sanchez-Arriaga G., Chen Х. Modeling and performance of electrodynamic low-work-function tethers with photoemission effects. Propulsion and Power. 2018. V. 34, №1. P. 213–220. https://doi.org/10.2514/1.B36561

4. Jensen K. L., Feldman W. D., Moody N. A., O’Shea P. G. A Photoemission model for low work function coated metal surfaces and its experimental validation. Applied Physics. 2016. V. 99, №12. Paper 124905. https://doi.org/10.1063/1.2203720

5. Міщенко О. В. Методичне забезпечення проектування електродинамічних космічних тросових систем: дис. … кан. тех. наук: утв. 26.04.21. Дніпро. 2021. 226 с.

6. Williams P., Yeo Sh., Blanksby Ch. Heating and Modeling Effects in Tethered Aerocapture Missions. Journal of Guidance, Control, and Gynamics. 2003. V. 49, №4. P. 643–654. https://doi.org/10.2514/2.5093

7. Davies J. H., Davies D. R. Earth’s surface heat flux. Solid Earth. 2010. V. 1, №1. P. 5–24. https://doi.org/10.5194/se-1-5-2010

8. Williams J. D., Sanmartin J. R., Rand L. P. Low Work-Function Coating for an Entirely Propellantless Bare Electrodynamic Tether. IEEE Transactions on Plasma Science. 2012. V. 40, №5. P. 1441–1445. https://doi.org/10.1109/TPS.2012.2189589