Сформульовано наближені моделі струменів-вихлопів газореактивних і плазмових двигунів космічних апаратів. Установлено, що динаміку та структуру імпульсної плазми під час розширення у вакуумі характеризують дві стадії, два режими течії: механізм джоулевого нагрівання електронів і режим беззіткнювального розлітання. Моделі адекватні числовому та фізичному експериментам.

Ключ. слова: термостатирование, космический аппарат, загрязняющие вещества, международные стандарты чистоты поверхности
Індекс рубрикатора НБУВ: О62-082

Рубрики:

Космічні літальні апарати

Шифр НБУВ: Ж16745 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Предложен метод построения частично совершенных хеш-преобразований для заданного постоянного массива ключей. Использование такого преобразования позволяет значительно сократить вычислительную сложность построения хеш-преобразования по сравнению с известными методами. За счет того, что метод учитываег статистику появления ключей в потоке заявок поиска, использование полученного с его помощью частично совершенного хеш-преобразования не сказывается существенным образом на скорости хеш-поиска.

Построена модель свободномолекулярного переноса загрязняющих веществ между "горячими" и "холодными" осесимметричными поверхностями. Рассмотрено влияние коэффициентов адсорбции и диссоциации на потоки загрязняющих веществ при различной ориентации поверхностей.

В приближении центрального отталкивающего цилиндрического поля получены расчетные формулы для концентрации электронов вблизи каталитической поверхности. Обосновано использование полученных формул при расчетах самосогласованного электрического поля в окрестности поперечно обтекаемого бесстолкновительной плазмой бесконечного проводящего цилиндра.

Разработана процедура идентификации флуктуаций пространственно-временного распределения нейтральных и заряженных частиц по зондовым измерениям научной аппаратурой ИТМ на КА "Сич-2". Определена локализация извержений вулканов, эпицентров землетрясений, которые зарождаются и происходят на подспутниковой трассе КА, а также локализацию южного и северного авроральних пиков в ионосфере Земли.

Предложена методика двумерного численного моделирования взаимодействия разреженной плазмы с заряженным телом вблизи проводящей поверхности. Методика основана на решении конечно-разностным методом установления с расщеплением по физическим процессам на вложенных пространственных сетках уравнений Власова - Пуассона. В итерационном процессе для расчета самосогласованного электрического поля используется приближение Пуассона - Больцмана с модельным распределением концентрации электронов в центральном поле. Обоснована эффективность методики для монотонного электрического поля в окрестности заряженного цилиндра. Показано, что вблизи проводящей поверхности заметно меняется значение плавающего потенциала и наклон электронной ветви вольтамперной характеристики цилиндрического зонда. Практическое применение методики позволит повысить информативность зондовых измерений.

Дан краткий анализ результатов исследований, выполненных в отделе механики ионизованных сред Института технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины за период 2011 - 2015 г.г. по трем направлениям, характеризующим взаимодействие "намагниченных" космических аппаратов с ионосферной плазмой, конструкционных материалов со сверхзвуковыми потоками атомарного кислорода и вакуумного ультрафиолетового излучения в атмосфере Земли, научной аппаратуры ИТМ на спутнике "Сич-2" с окружающей средой.

Проведен анализ ионосферных предвестников землетрясений, определены возможности их регистрации с помощью зондовых систем диагностической аппаратуры КА. Показано, что комплекс зондовой диагностической аппаратуры КА, предназначенной для регистрации возмущений кинетических параметров ионосферной плазмы, электромагнитного излучения, высыпания высокоэнергичных протонов и электронов (ионосферных предвестников землетрясений), может быть использован при синхронном режиме эксплуатации приборов для регистрации землетрясений, зарождающихся на подспутниковой трассе.

Цель работы - разработка и обоснование процедуры идентификации параметров невозмущенной бесстолкновительной плазмы на основе параметрического описания вольтамперной характеристики (ВАХ) поперечно обтекаемого тонкого цилиндрического зонда с привлечением априорной информации о свойствах плазмы и условиях эксперимента. На основе кинетической модели Власова-Пуассона проведены численные исследования двумерной прямой задачи зондовых измерений. Рассчитаны ионные и электронные токи на поперечно обтекаемый цилиндр в зависимости от ионного скоростного отношения, степени неизотермичности плазмы и отношения радиуса цилиндра к дебаевскому радиусу экранирования. По результатам расчетов выполнена коррекция классических аппроксимаций зондовых токов, определены диапазоны применимости аппроксимации полной ВАХ тонкого цилиндрического зонда в потоке бесстолкновительной плазмы. Разработана процедура идентификации параметров невозмущенной плазмы, основанная на сравнении теоретической аппроксимации с результатами измерений ВАХ. Априорная информация о свойствах плазмы и условиях эксперимента задается в виде ограничений на параметры аппроксимации полной ВАХ. Проведены исследования влияния погрешностей зондовых измерений на восстановление параметров плазмы. Полученные результаты могут быть использованы в диагностике бесстолкновительной плазмы.

Моделирование взаимодействия проводящего тела с потоком плазмы является важным этапом разработки научных и технологических диагностических приборов, элементов конструкций перспективных космических аппаратов и систем. Цель статьи - обоснование разработанного авторами алгоритма численного моделирования взаимодействия проводящего заряженного тела с потоком разреженной плазмы. Описаны ключевые элементы алгоритма решения двумерной системы уравнений Власова-Пуассона на примере задачи сверхзвукового поперечного обтекания проводящего цилиндра низкотемпературной неизотермической разреженной плазмой. В алгоритме реализована возможность решения уравнений Власова конечно-разностными методами растепления или методом характеристик. При расчете локально равновесного самосогласованного электрического поля для электронной компоненты использованы модели Власова-Пуассона и Пуассона-Больцмана в приближении локально равновесных электронов и с учетом стока электронов на поверхности тела в приближении центрального поля. Сформулированы критерии применимости приближенных моделей Пуассона-Больцмана а окрестности обтекаемого тела. Достоверность получаемых результатов подтверждена как проведением тестовых расчетов известных модельных задач, так и сравнением результатов решения одинаковых физических задач с использованием разных математических моделей. Рассчитаны полные токи на поперечно обтекаемый заряженный цилиндр в зависимости от потенциала, ионного скоростного отношения и степени неизотермичности плазмы. Использование в алгоритме конечно-разностного метода расщепления для решения уравнений Власова и вложенных сеток открывает возможности развития алгоритма для учета столкновений в плазме и включения в расчетную схему источников и стоков заряженных частиц. результаты могут быть использованы в диагностике низкотемпературной разреженной плазмы и проектировании элементов конструкции космических аппаратов и систем.

На прикладі модельної задачі розглянуто вплив навколишніх провідних тіл на збирання заряджених частинок плазми провідним циліндром. Ціль статті - дослідження впливу близько розташованого провідного тіла на збирання іонного струму зарядженим циліндром при поперечному обтіканні надзвуковим потоком беззіштовхувальної неізотермічної плазми. На основі двовимірної системи рівнянь Власова - Пуассона проведено моделювання поперечного обтікання надзвуковим вільномолекулярним потоком плазми системи нескінченно довгих тіл "циліндр - смуга". Задачу розв'язано кінчено-різницевим методом установлення з розщепленням за фізичними процесами на вкладених сітках. При розрахунку відштовхуючого електрони локально рівноважного самоузгодженого електричного поля використано наближення Пуассона - Больцмана з модельним розподілом концентрації електронів. Проведено аналіз картини вільномолекулярного обтікання неізотермічною плазмою системи провідних тіл "циліндр - смуга". Введено числові параметри, що визначають особливості обтікання розглянутої системи тіл і збирання струму циліндром. Розраховано іонні струми на заряджений циліндр, що обтікається поперечно, в залежності від його потенціалу, ступеня неізотермічності плазми та розташування циліндра відносно провідної поверхні, що знаходиться під потенціалом, близьким до плаваючого. За результатами числового моделювання отримано кількісні характеристики впливу провідної поверхні на збирання іонного струму зарядженим циліндром. Результати можуть бути використані при розробці взаємодіючих з потоком низькотемпературної розрідженої плазми наукових і технологічних діагностичних приладів, проектуванні елементів конструкцій перспективних космічних апаратів та систем.

Мета роботи - розробка процедури ідентифікації параметрів беззіштовхувальної плазми за вольтамперною характеристикою (ВАХ) циліндричного зонда, що обтікається поперечно, при довільному відношенні площі поверхні зонда до площі поверхні опорного електрода, які збирають струм. З використанням відомих теоретичних і експериментальних залежностей іонного та електронного струмів на циліндр побудовано математичну модель ВАХ (збирання струму) для зондової системи з циліндричними електродами. Модель включає розрахунок рівноважного потенціалу опорного електрода при зміні напруги зсуву зонда. На основі побудованої теоретичної моделі ВАХ циліндричного зонда в надзвуковому потоці низькотемпературної неізотермічної беззіштовхувальної плазми розроблено процедуру ідентифікації кінетичних параметрів плазми з використанням апріорної інформації про властивості плазми і умови експерименту. Процедура заснована на визначенні температури і концентрації заряджених частинок, швидкості потоку і маси іонів плазми, за яких теоретична ВАХ найкращим чином описує ВАХ, що отримано експериментально. Апріорна інформація про властивості плазми і умови експерименту задається у вигляді обмежень на параметри теоретичної ВАХ. Досліджено чутливість ВАХ циліндричного зонда при малих варіаціях параметрів незбуреної плазми в залежності від відношення поверхонь зонда і циліндричного опорного електрода, які збирають струм. Отримано кількісні характеристики впливу відношення площ на ВАХ циліндричного зонда. Виконано числове моделювання зондових вимірювань в умовах іоносфери. Показано працездатність процедури ідентифікації кінетичних параметрів плазми. Проведено числові дослідження впливу похибок зондових вимірювань на відновлення параметрів плазми. В рамках прийнятих припущень отримані оцінки достовірності відновлення параметрів незбуреної плазми в залежності від точності вимірювання ВАХ. Отримані результати можуть бути використані в діагностиці іоносферної плазми.

Розроблено процедуру прискорених ресурсних випробувань полімерних конструкційних матеріалів космічних апаратів (КА) на їх стійкість до тривалої дії потоків атомарного кисню (АК) в іоносфері Землі на висотах від 200 до 700 км. Процедура включає: опромінювання полімерів високоенергійними іонами атомарного кисню потоку розрідженої плазми і використання полііміду kapton-H як еталонного матеріалу. Умовою еквівалентності режимів взаємодії "АК - полімер" в іоносфері Землі і на спеціалізованому стенді є рівність втрат маси тестованого матеріалу. Базою для обгрунтування процедури прискорених випробувань є одержаний висновок, згідно з яким у разі опромінювання полімеру kapton-H високоенергійними іонами атомарного кисню в діапазоні енергій від 30 до 800 еВ деградацію полііміду визначає процес хімічного травлення матеріалу. Для обгрунтування процедури прискорення ресурсних випробувань полімерних конструкційних матеріалів космічних апаратів на стійкість до тривалої дії потоків атомарного кисню одержано залежності втрати маси та об'ємного коефіцієнта втрати маси (реакційної спроможності) полііміду kapton-H та тефлону FEP-100А від флюенса і енергії іонів атомарного кисню. Показано, що за опромінювання полііміду kapton-H іонами атомарного кисню з енергією від 30 до 80 еВ втрата маси матеріалу через хімічне травлення практично на порядок більша, ніж втрата маси, зумовлена кінетичним розпиленням. У разі опромінювання полімеру kapton-H високоенергійними іонами атомарного кисню потоку розрідженої плазми коефіцієнт прискорення ресурсних випробувань та флюенс атомарного кисню практично на два порядки більший, ніж коефіцієнт прискорення у разі опромінювання полімеру іонами атомарного кисню з енергією 5 еВ.

Наведено результати дослідження нерівноважної розрідженої плазми в діапазоні тиску від 0.0001 до 1000 Па. Розкрито можливості удосконалення зондових методів для визначення комплексу локальних значень кінетичних параметрів нейтрального та заряджених компонентів потоків розрідженої плазми в діапазоні тиску від 0.0001 до 1000 Па. Застовано наступні методи - теоретичні та числові методи дослідження взаємодії потоків розрідженої плазми з електричними зондами, математична обробка результатів експериментів з діагностики розрідженої плазми електричними зондами. Зазначено, що удосконалення зондового методу полягає в визначенні параметрів нейтральних частинок плазми. Для цього реєструються температурна характеристика калориметричного зонда (тиск від 0.1 до 1000 Па) або сигнали двоканального зонду тиску (0.0001 - 0.1 Па). Отримано зв'язок вихідних сигналів зондів з кінетичними параметрами середовища, проведено математичне моделювання зондових вимірювань в умовах космічного експерименту, розроблено алгоритми обробки сигналів зондової апаратури. Обґрунтовано використання температури нейтральних частинок іоносфери для моніторингу сейсмічної активності. Удосконалений метод апробовано при проведенні космічного експерименту на КА "Січ-2". Розв'язано задачу теплообміну плоского та циліндричного калориметричних зондів при обтіканні їх потоком плазми в перехідному режимі. Вирішено завдання діагностики надзвукових потоків сильно розрідженої плазми з використанням двоканального зонду тиску та циліндричного електричного зонду. Показано, що використання калориметричних зондів, зонду тиску та циліндричного електричного зонду дозволяє замкнути задачу діагностики плазми. Метод діагностики надзвукових потоків іоносферної плазми застосовано в космічному експерименті з виявлення основних природних джерел збурень іоносферної плазми, включаючи джерела сейсмічної активності. Сфера застосування: обробка результатів експериментів в лабораторній та космічній плазмі.