350 rub
Journal Nonlinear World №10 for 2012 г.
Article in number:
Radiophysical characteristics of low-orbit spacecraft plasma environment revealed by space experiments
Authors:
B.S. Borisov, F.F. Gabdullin, V.I. Garkusha, A.G. Korsun, M.Yu. Kurshakov, V.A. Strashinskiy, E.M. Tverdokhlebova, V.V. Khakhinov
Abstract:
Mathematical models developed at TsNIIMash describe artificial plasma formations (APF), in particular plasma plumes and the shape of the exhaust of electric propulsion engines. The models take into account how the characteristics of the APF are affected by own electric fields and currents, by the geomagnetic field, by high-energy ionospheric fluxes, and also by conductive parts of the spacecraft or the bench and gas-plasma environment. These models are based on self-similar solutions of the Braginsky equations for entirely ionized plasma. The models describe how the above factors affect the pattern of fluxes in plasma plumes and clouds existing around a spacecraft. The internal electric field enhances transversal fluxes as a plasma body expands into the space vacuum. The geomagnetic field B impedes plasma expansion in the direction normal to the induction vector B. As a result, needle- and petal-shaped APF with specific radiophysical characteristics emerge in the vicinity of the spacecraft. The computations are consistent with the data of both bench and space experiments. The mathematical models for APF and the corresponding computer programs help, first, to assess and predict the effect of gas-plasma environment of a spacecraft on sensitive onboard equipment and, second, to parry hazardous effects already when designing spacecrafts powered by electric propulsion engines. To describe the radiophysical characteristics of APF in space the ray approximation was used. The calculation results are in good agreement with flight data of several space experiments. These results confirm that plasma plumes and clouds transformed in space under influence of the Earth magnetic field into needle- and petal-shaped APF. The radiophysical characteristics of such APF depend on the angle between the direction of incidence and the vector of geomagnetic induction. The scattering of radio waves on relatively dense APF, the electron density in which is higher than critical for probe signal, is characterized by the anisotropy, so the values of effective echoing area are varied in a large range. Large zones of radio shadow are formed behind APF. There is the gradient of electron density in APF, so these plasma formations can be considered as plane-layered medium in solving problems of APF impact on radio waves propagation. The carried out experiments demonstrate that the engagement of standard rather than special equipment, both onboard and earth-based, makes the experiment cheaper and quickens its preparations. Therefore, analyzing the technical capability of spacecraft standard equipment and corresponding earth-based facilities should be an obligatory stage in the planning of any space project.
Pages: 700-709
References
  1. Корсун А.Г., Твердохлебова Е.М., Габдуллин Ф.Ф. Модель космоса. Т. II. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов / под ред. проф. Л.С. Новикова. М.: Книжный дом Университет. 2007.
  2. Брагинский С.И. Явления переноса в плазме // Сб. «Вопросы теории плазмы» / под ред. М.А. Леонтовича. Вып. 1. М.: Госатомиздат. 1963.
  3. Войцехович И.В., Гаркуша В.И., Гришин С.Д. и др. Исследование импульсных ускорителей плазмы в космических условиях // Космические исследования. 1976. Т. 14. № 3. С. 445-454.
  4. Корсун А.Г. Особенности разлета сгустка низкотемпературной плазмы в магнитном поле // Сб.: Ракетно-космическая техника. Сер. ХV. Вып. 4. М.: ЦНТИ «Поиск». 1990. С. 7.
  5. Корсун А.Г., Твердохлебова Е.М. и др. Исследование вопросов стойкости космических аппаратов к электрофизическим воздействиям и методы их парирования. М.:ЭНЦИТЕХ. 2012.
  6. Korsun A.G., Tverdokhlebova E.M. Low-Temperature Plasmoids Expansion Geomagnetic Field // Proc.: 35th JPCE. Los Angeles. 1999.
  7. Ипатов Е.Б., Лукин Д.С., Палкин Е.А. Численная реализация метода канонического оператора Маслова в задачах распространения коротких радиоволн в ионосфере Земли // Изв. вузов. Сер. Радиофизика. 1990. Т. 33. № 5. С. 562-573.
  8. Ipatov E.B., Lukin D.S., and Palkin E.A. Maslov canonic operator in problems of numerical simulation of diffraction and propagation waves in inhomogeneous media // Sov. J. of Numer. Anal. and Math. Mod. 1990. V. 5. № 6. P. 465-488.
  9. Корсун А.Г., Твердохлебова Е.М. Программа ОФАП САПР. Расчет параметров свободного разлета плазменных выхлопов ЭРД в космосе ? DYNAMIC. Рег. № 4089 от 12.03.2002 г.
  10. Borisov B.S., Garkusha V.I., Kozyrev N.V., Korsun A.G., Sokolov L.Yu., Strashinskiy V.A. The Influence of Electric Thruster Plasma Plume on Downlink Communication in Space Experiments // Proc.: 27-th JPC, Sacramento. CA. 1991.
  11. Бычков В.Б., Гаркуша В.И., Корсун А.Г., Рыбаков С.М. Программа ОФАП САПР. Расчет характеристик радиотени струй плазмы - ТЕНЬ. Pег. № 1826 от 22.03.84.
  12. Корсун А.Г. Влияние внешнего магнитного поля на истечение струи низкотемпературной плазмы в вакуум // Сб.: Ракетно-космическая техника. Сер. ХV. Вып. 4. М.: ЦНТИ «Поиск». 1990. С. 24.
  13. Бычков В.Б., Гаркуша В.И., Корсун А.Г., Рыбаков С.М. Программа ОФАП САПР. Расчет эффективной поверхности рассеяния плазменной струи во внешнем магнитном поле - БЛИК. Pег. №1866 от 13.06.84.
  14. Бычков В.Б., Гаркуша В.И., Корсун А.Г., Твердохлебова Е.М. Определение эффективной поверхности рассеяния радиоволны на струе плазмы, расширяющейся во внешнем магнитном поле // Сб.: Ракетно-космическая техника. Сер. ХV. Вып. 4. М.: ЦНТИ «Поиск». 1990. С. 63.
  15. Казанцев А.Н., Лукин Д.С. Напряженность поля коротких радиоволн, излучаемых искусственным спутником Земли // Космические исследования. 1966. Т. 4. № 2. С. 238-241.
  16. Казанцев А.Н., Лукин Д.С. Исследование ионосферного распространения радиоволн // Радиотехника и электроника. 1967.
    Т. 12. № 12. С. 1891-1910.
  17. Казанцев А.Н., Лукин Д.С., Фоминых С.И. Метод расчета рефракции радиоволн и рефракционных ошибок при определении траектории ИСЗ // Космические исследования. 1967. Т. 5. № 4. С. 602-607.
  18. Ипатов, Е.Б., Глушнев, С.Ф., Чивилев, В.И., Палкин, Е.А. Моделирование дисперсионных эффектов радиосигналов в неоднородной ионосфере Земли // Радиотехника и электроника. 2003. Т. 48. № 12. С. 1436-1442.
  19. Палкин Е.А., Ипатов Е.Б, Твердохлебова Е.М. и др. Программа ОФАП САПР. Расчет эффективной поверхности рассеяния плазменной струи, расширяющейся во внешнем магнитном поле - ЭПОР. Pег. № 3046 от 25.12.87.
  20. Korsun A.G., Gabdullin F.F. Gas-Plasma Non-uniformity Arising in Gas Releases from Spacecraft under Effect of High-energy Space Fluxes // Proc.: 35th JPC. Los Angeles. CA. 1999.
  21. Корсун А.Г. Интенсификация электроразрядных процессов на поверхности МКС при изменении ее плазменного окружения // Сб. тезисов докл. Шестого Междунар. аэрокосмического конгресса IAC-2009. М. 2009. C. 67.
  22. Хахинов В.В., Потехин А.П., Лебедев В.П. и др. Результаты дистанционного зондирования ионосферных возмущений в активных космических экспериментах «Радар-Прогресс» // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. № 3. С. 199-208.