Кіріспе

Электродинамикалық тіректер (ЭДТ) - электр энергиясын электр энергиясына немесе электр энергиясын қозғалтқыштарға айналдыра отырып, электромагниттік принциптер бойынша жұмыс істейтін генераторлар ретінде немесе электр энергиясын қозғалтқыштар ретінде қозғалтқыш энергиясына айналдыратын электромагниттік принциптер бойынша жұмыс істейтін, мысалы, тірек спутнигінен орналастырылған ұзақ өткізгіш сымдар. Электрлік потенциал өткізгіш сым арқылы планетаның магнит өрісі арқылы қозғалуы арқылы пайда болады. Бірқатар миссиялар ғарышқа электродинамикалық тіректерді көрсетті, әсіресе TSS 1, TSS 1R және Плазмалық қозғалтқыш генераторы (PMG) эксперименттері.

Тейнеуді жылжыту

Тетрлік қозғалтқыш жүйесінің бір бөлігі ретінде кеме ұзын, мықты өткізгіштерді (барлық тетрлер өткізгіш болмаса да) ғарыш кемелерінің орбиталарын өзгерту үшін пайдалана алады. Бұл ғарышқа саяхаттауды арзандату мүмкіндігіне ие. Тура ток арқанға тигізгенде, ол магнит өрісіне Лоренц күшін тигізеді, ал арқан көлікке күш береді. Ол орбиталық ғарыш кемесін жылдамдатуға немесе тежеуге пайдаланылуы мүмкін. 2012 жылы Star Technology and Research компаниясына орбиталық қалдықтарды жою үшін тіректік қозғалтқыш жүйесін біліктілігін арттыру үшін 1,9 миллион долларлық келісімшарт берілді.

Генератор ретінде тігістер

Электродинамикалық тірек объектіге бекітіледі, ал тірек объект пен магнит өрісі бар планета арасындағы жергілікті тік бұрышта бағдарланады. Арыңғы жағы ашық қалдырылып, ионосферамен электр байланысын жасайды. Планетаның магнит өрісіне түйілгенде, тоқ пайда болады, сонда орбиталық дененің кинетикалық энергиясының бір бөлігі электр энергиясына айналады. Функционалдық жағынан, электрондар кеңістіктегі плазмадан өткізгіш тізбеге ағылады, басқару блогында кедергілі жүктеме арқылы өтеді және оларды кеңістіктегі плазмаға электронды эмитер еркін электрондар ретінде шығарады. Бұл процестің нәтижесінде электрдинамикалық күш байламға және оған бекітілген объектіге әсер етіп, олардың орбиталық қозғалысын баяулатады. Бұл процесті кәдімгі жел тегершігіне теңеуге болады. Қарсылық ортаның (ауаның немесе бұл жағдайда магнитосфераның) сүйреу күші салыстырмалы қозғалыстың кинетикалық энергиясын (жел немесе спутниктің импульсі) электр энергиясына айналдырады. Негізінде, жоғары токты тұйықталған электр генераторларын құруға болады және негізгі аппараттық жабдықпен ондаған, жүздеген және мыңдаған киловаттқа қол жеткізуге болады.

Жетекшідегі кернеу

Ұзындық L өткізгіш сыммен сымда E электр өрісі пайда болады. Ол сымның қарама-қарсы шеттері арасында V кернеуін тудырады. Бұл былайша білдірілуі мүмкін: τ бұрышы тіректің ұзындығы векторы (L) мен электр өрісі векторы (E) арасындағы, жылдамдық векторына (v) жазықтықта тік бұрышта тік бағытта деп есептеледі және магниттік өріс векторы (B) жазықтықтан тыс.

Жетекшідегі ток

Электродинамикалық тірек термодинамикалық "ашық жүйе" түріне жатады. Электродинамикалық тіреу схемаларын басқа сымды пайдалану арқылы ғана аяқтау мүмкін емес, өйткені басқа тіреуде ұқсас кернеу пайда болады. Бақытымызға орай, Жердің магнитосферасы "бос" емес, Жерге жақын аймақтарда (әсіресе Жер атмосферасына жақын) электр өткізгіштігі жоғары плазмалар бар, олар күн сәулесі немесе басқа сәулелену энергиясымен ішінара иондалған. Электрон мен ион тығыздығы әр түрлі факторларға байланысты өзгереді, мысалы, орналасқан жері, биіктігі, мезгілі, күн дақ циклі және ластану деңгейі. Белгілі болғандай, оң зарядталған жалаңаш өткізгіш плазмадан еркін электрондарды оңай алып тастай алады. Осылайша, электрлік схеманы аяқтау үшін, шнурдың жоғарғы жағымды зарядталған шетінде жеткілікті көлемде оқшауланбаған өткізгіш қажет, осылайша шнур арқылы ток ағып өтуіне мүмкіндік береді. Алайда, шнурдың қарама-қарсы (термо) ұшы үшін еркін электрондарды шығару немесе плазмадан оң иондарды жинау қиынырақ. Тездетудің бір шетінде өте үлкен жинау аймағын пайдалану арқылы плазма арқылы маңызды токқа мүмкіндік беретін жеткілікті иондарды жинау мүмкін. Бұл Шаттл орбитасының TSS 1R миссиясы кезінде көрсетілді, онда шаттлдың өзі үлкен плазмалы контактор ретінде қолданылып, амперден астам токпен қамтамасыз етілді. Жақсыланған әдістерге термоиондық катод, плазмалық катод, плазмалық контактор немесе өрістегі электронды эмиссия құрылғысы сияқты электронды эмитентті жасау жатады. Тездетудің екі ұшы да айналадағы плазмаға "ашық" болғандықтан, электрондар бір ұшынан ағып шығады, ал сәйкес келетін электрондар ағыны екінші ұшына кіреді. Осылайша, электр магниттік индукцияланған кернеу тоқтың айналадағы кеңістіктегі орта арқылы ағып, электрлік схеманы аяқтауға әкелуі мүмкін, бұл бірінші қарағанда ашық схема болып көрінеді.

ЭДТ жүйесі үшін ток жинау / шығару: теория және технология

ЭДТ жүйелерінің көпшілігі үшін қоршаған орта плазмасына электронды және иондық ток жинауды түсіну өте маңызды. EDT жүйесінің кез келген ашық өткізгіш бөлігі қоршаған плазмаға қатысты ғарыш кемесі корпусының электр потенциалына байланысты электронды немесе иондық ток жинауға болады. Сонымен қатар, өткізгіш корпустың геометриясы қабықтың өлшеміне және осылайша жиынтық жинау қабілетіне маңызды рөл атқарады. Нәтижесінде, әртүрлі жинау әдістері туралы бірқатар теориялар бар. ЭДТ жүйесіндегі электронды және ионды жинауды басқаратын негізгі пассивтік процестер - жылу тогының жиналуы, ионды қоян жиналу әсерлері, электронды фотоэмиссия және мүмкін екінші электронды және ионды эмиссия. Сонымен қатар, жұқа жалаңаш арқан бойымен жинақтау орбиталық қозғалыс шектелген (OML) теориясын, сондай-ақ плазманың Дебье ұзындығына қатысты физикалық өлшеміне байланысты осы модельден теориялық шығарылымдарды қолдану арқылы сипатталады. Бұл процестер бүкіл жүйенің ашық өткізгіш материалдары бойымен жүреді. Қоршаған орта және орбиталық параметрлер жиналған ток мөлшеріне елеулі әсер етуі мүмкін. Кейбір маңызды параметрлерге плазма тығыздығы, электрон мен ион температурасы, ион молекулалық салмағы, магнит өрісінің күші және айналадағы плазмаға қатысты орбиталық жылдамдық жатады. Сонымен қатар, ЭДТ жүйесінде белсенді жинау және шығару әдістері бар. Бұл қуыс катодты плазмалы контакторлар, термионды катодтар және өрістік эмитерлік массивтер сияқты құрылғылар арқылы жүзеге асырылады. Бұл құрылымдардың әрқайсысының физикалық құрылымы, сондай-ақ қазіргі эмиссиялық мүмкіндіктері жан-жақты талқыланады.

Ашық өткізгіш тігістер

Ағымдағы токты жалаңаш өткізгіш арқанға жинау тұжырымдамасын алғаш рет Санмартин мен Мартинес Санчес ресмилендірді. Бұл қашықтықты, өткізгіш денеден пайда болған плазмадағы барлық электр өрістерінің 1/e-ге құлдырауы арқылы есептеуге болады. OML теориясы электронның Дебье ұзындығы объектінің өлшеміне тең немесе одан үлкен және плазма ағып кетпейді деген болжаммен анықталады. OML режимі қабықтың қалыңдығы жеткілікті болған кезде пайда болады, яғни орбиталық әсерлер бөлшектерді жинауда маңызды болады. Бұл теория бөлшектердің энергиясы мен бұрыштық импульсін есепке алады және сақтайды. Нәтижесінде қалың қабықтың бетінде кездесетін барлық бөлшектер жиналып алынбайды. Жинақтаушы құрылымның қоршаған ортадағы плазмаға қатысты кернеуі, сондай-ақ қоршаған ортадағы плазма тығыздығы мен температурасы қабықтың өлшемін анықтайды. Бұл жылдамдату (немесе баяулау) кернеулігі келіп түскен бөлшектердің энергиясы мен импульсімен бірігіп, плазма қабығы арқылы жиналатын ток мөлшерін анықтайды. Орбиталық қозғалыс шекті режимі цилиндрдің радиусы жеткілікті кішкентай болған кезде, жиналған барлық кіретін бөлшектердің траекториялары цилиндрдің бетінде аяқталады, олардың бастапқы бұрыштық импульсіне қарамастан, фондық плазмаға қосылады (яғни, зондтың бетіндегі басқа орынға қосылмаған). Квази-нейтралды соқтығысусыз плазмада бөліну функциясы бөлшектердің орбиталары бойымен сақталғандықтан, барлық кіріс бағыттарының келуі жиналған токтың бірлік ауданы бойынша жоғарғы шегіне сәйкес келеді (жалпы ток емес). EDT жүйесінде берілген тірек массасы үшін ең жақсы өнімділік типтік ионосфералық орта жағдайлары үшін электронды Дебье ұзындығынан кіші диаметрді таңдауға арналған (Типикалық ионосфералық жағдайлар 200-2000 км биіктікте, Тe 0,1-ден 0,35 eV-ға дейін, ал n e 10^10 m^3 -ден 10^12 m^3 дейін), сондықтан ол OML режиміне кіреді. Осы өлшемнен тыс байлам геометриясы қарастырылды. OML жинақтау әртүрлі үлгілік байлау геометриясы мен өлшемдері бойынша қазіргі жинақтау нәтижелерін салыстыру кезінде негіз ретінде пайдаланылады. 1962 жылы Джеральд Розен қазір OML теориясы деп аталатын шаң зарядтау теңдеуін шығарды. Айова университетінің профессоры Роберт Мерлиноның айтуынша, Розен бұл теңдеуге басқалардан 30 жыл бұрын келген.

Ағынсыз плазмадағы ОМЛ теориясынан ауытқулар

Әртүрлі практикалық себептер бойынша, токты жалаңаш ЭДТ-ға жинау әрқашан OML жинақтау теориясының болжамдарын қанағаттандырмайды. Бұл жағдайларда болжамды өнімділіктің теориядан қалай ауытқуы маңызды. EDT үшін жиі ұсынылатын екі геометрия цилиндрлі сым мен жазық лентаны пайдалануды қамтиды. Цилиндрлік тірек радиусы бір Дебье ұзындығынан кіші болған жағдайда, ол ОМЛ теориясына сәйкес жиналады. Алайда, ені осы қашықтықтан асып кеткен кезде, жинақ осы теориядан айнала бастайды. Егер байлам геометриясы жалпақ таспа болса, онда нормаланған таспа енін барабар цилиндр радиусына айналдыру үшін шамалауды қолдануға болады. Бұл бірінші рет Санмартин мен Эстес және жақында 2 өлшемді кинетикалық плазманы шешуші (KiPS 2 D) пайдалану арқылы Choiniere және т.б. ЭДТ-ге қатысты ағынды плазманы талдау талқыланды.

Ағымы бар плазмадағы электронды жинақтау режимі

Ағымды жинаудың нақты үлгісін әзірлеудегі келесі қадам - магнит өрісі әсерлері мен плазма ағыны әсерлерін қосу. Тез соқтығысусыз плазманы ала отырып, магниттік айналу күштерінің және градиент қисықтығының дрейфіне байланысты Жердің полюстерінің арасында жүріп жатқанда электрондар мен иондар магниттік өріс сызықтары бойынша айналады. Олар белгілі бір радиуста және жиілікте айналады, бұл олардың массасына, магнит өрісінің күш-қуатына және энергиясына байланысты. Осы факторларды қазіргі жинақтау үлгілерінде ескеру керек.

Ағып тұрған плазмалық иондарды жинау моделі

Жетекші дене плазмаға қатысты теріс бұрылыс алып, иондық жылу жылдамдығынан жоғары қозғалғанда, жұмыс істейтін қосымша жинау механизмдері болады. Типтік Жердің төменгі орбиталары (ЖЖО) үшін 200 км мен 2000 км аралығында инерциялық эталондық шеңбердегі жылдамдықтар шеңберлік орбита үшін 7,8 км / с-ден 6,9 км / с-ге дейін, ал атмосфералық молекулалық салмақтар 25,0 аму (O+, O2+, & NO+) -ден 1,2 аму (негізінен H+) аралығында. Электрон мен ион температурасы ~ 0,1 eV-ден 0,35 eV-ға дейін деп болғанда, алынған ион жылдамдығы сәйкесінше 875 м/с-тан 4,0 км/с-қа дейін 200 км-ден 2000 км-ге дейін. Электрондар LEO арқылы шамамен 188 км/с жылдамдықпен жүріп жатыр. Бұл дегеніміз, орбиталық дене иондардан жылдам, ал электрондардан баяу, яғни мезозоникалық жылдамдықпен қозғалады. Бұл орбиталық дененің айналасындағы иондар арқылы плазмада сәуледей әсерін туғызатын ерекше құбылысты тудырады.

Көлдірлі ұштықтар

Кеуекті ұштық денелер жинақтаушы ұштықтың соғу күшін азайтудың тәсілі ретінде ұсынылды, сонымен бірге ұқсас ток жинауды ұстап тұру керек. Олар қатты сфералардың бетінің шағын пайызын құраса, қатты ұшы ретінде үлгіленеді. Алайда бұл түсінікті тым қарапайым етіп көрсетеді. Қалпақ құрылымы, тордың геометриясы, ұштықтың мөлшері және оның ток жинаумен байланысы туралы көп нәрсе білуге болады. Бұл технология сонымен қатар ЭДТ-ға қатысты бірқатар мәселелерді шешуге мүмкіндік береді. Жинақ ағыны мен соғу ауданымен төмендеуі, саңылаулы тіректердің еңсерілуі мүмкін шекті белгіледі. Stone және басқалармен, саңылаулы сфераларды пайдалана отырып, ағымдағы жинау бойынша жұмыс жасалды. және Khazanov және басқалар. Тор сферасы жинаған ең жоғары ток масса мен соғуды азайтуға салыстырғанда бағалануы мүмкін екені көрсетілді. 80-90% мөлдірлігі бар торлы сфера үшін жиналған ток бірлігіне шаққандағы соғу шамамен бірдей радиустағы қатты сферадан 1,2 - 1,4 есе аз. Осы салыстыру үшін массаның көлеміне шаққандағы азаюы 2,4 - 2,8 есеге тең. Бұл шекті шама эмиссия бетінің ауданынан, плазмалық аралықтағы потенциалдық айырмашылықтан және осы аралықтағы қашықтықтан байланысты. Бұл тақырыпта қосымша талқылаулар болады.

Электронды эмитерлер

ЭДТ қолданбалары үшін әдетте қарастырылатын үш белсенді электронды эмиссия технологиясы бар: қуыс катодты плазмалы контакторлар (HCPC), термионды катодтар (TC) және өрістік эмиссиялық катодтар (FEC), көбінесе өрістік эмиссионды массивтер (FEA) түрінде. Әрбір құрылғы үшін жүйелік деңгейдегі конфигурациялар, сондай-ақ салыстырмалы шығындар, пайдалар және растау ұсынылады.

Термиондық катод (ТК)

Термиондық эмиссия - жылулық термосиректілік энергияның жұмыс функциясын жеңуінен (электростаттық күштер электрондарды бетке ұстап тұрудан) туындаған, қыздырылған зарядталған металл немесе металл оксид бетінен электрондардың ағыны. Термиондық эмиссияның ток тығыздығы, J, температураның өсуімен тез өседі, бұл жерде электрондардың едәуір саны бетке жақын вакуумға шығарылады. Сандық қатынас теңдеуде берілген. Бұл теңдеу Ричардсон Душман немесе Ричардсон теңдеуі деп аталады. (ф - шамамен 4,54 ЭВ және AR - 120 А/см2 вольфрам үшін). Электрондар термоиондық жолмен ТК бетінен шығарылғаннан кейін олар тездету потенциалын саңылауды немесе бұл жағдайда плазма қабығын кесіп өтуі керек. Егер жеделдетілген тор немесе электронды тапанша қолданылса, электрондар плазма қабығының SCL-нен қашу үшін қажетті энергияға қол жеткізе алады. Теңдеуде құрылғыға кіретін белгілі бір ток шығаруға тор арқылы қандай потенциал қажет екендігі көрсетіледі. Мұнда η - электронды пушканың (EGA) тиімділігі (TSS 1-де ~ 0,97), ρ - EGA-ның өтімділігі (TSS 1-де 7,2 микроперв), ΔVtc - EGA-ның жылдамдату желісі бойынша кернеу, және It - сәулеленуші ток.]] ТК электронды эмиссиясы екі түрлі режимнің бірінде болады: температура немесе кеңістіктегі зарядтың шектеулі ток ағыны. Температурамен шектелген ағын үшін электронды қарудың жылдамдату потенциалы жеткілікті үлкен болса, катод бетінен қашу үшін жеткілікті энергия алатын әрбір электрон шығарылады. Бұл жағдайда, эмиссия ағыны Ричардсон Душман теңдеуімен берілген термиондық эмиссия процесімен реттеледі. SCL электронды ток ағынында катодтан шығарылатын электрондар өте көп, олардың барлығы ғарыш зарядынан құтылу үшін электронды тапаншамен жеткілікті жылдамдықпен жылдамдатылмайды. Бұл жағдайда электронды пушканың жылдамдату потенциалы эмиссия ағынын шектейді. Төмендегі диаграммада температураны шектейтін токтар мен SCL әсерлері көрсетілген. Электрондық сәуле энергиясы өскен сайын, қашып кеткен электрондардың жалпы саны да өседі. Көгеріске айналған қисықтар температурамен шектелген жағдайлар.

Құрғақ катод

Құрғақ катодтар газды иондау арқылы тығыз плазма бұлтын шығарады. Бұл айналадағы плазмамен байланысқа түсетін жоғары тығыздықты плазмалық шұңқыр жасайды. Жоғары тығыздықты қалыңдық пен оны қоршаған плазма арасындағы аймақ қос қабық немесе қос қабат деп аталады. Бұл қос қабат - екі қабат заряд. Бірінші қабат - жоғары потенциалдық плазманың шетіндегі оң қабат (контакт плазмалық бұлт). Екінші қабат - төмен потенциалдық плазманың (орталық плазманың) шетіндегі теріс қабат. Екі қабатты құбылысты бірнеше адам зерттеуді жалғастырды. Құрғақ катодтың бір түрі төмендегі суретте көрсетілгендей, бір шетінен кішкентай саңылаулы пластинамен жабылатын, барий оксидімен импрегнцияланған вольфрамды қоспамен қапталған металл түтікшеден тұрады. Электронның жоғары жылдамдығы ксенон ионының ағынынан әлдеқайда үлкен электронды токқа әкеледі. Электрондық эмиссиялық қанығу шегінен төмен контактор биполярлы эмиссионды зонд ретінде әрекет етеді. Электроннан шыққан әрбір шығыс ион бірнеше электронды шығаруға мүмкіндік береді. Бұл сан ион массасының электрон массасына қатынасының квадрат түбіріне тең. Төмендегі диаграммада электрондар шығаратын режимдегі қуыс катодтың типтік I V қисығының қандай болатынын көруге болады. Белгілі бір сақтаушы геометриясын (жоғарыдағы суреттегі сақина арқылы электрондар шығады), ион ағыны жылдамдығын және Vp-ды ескере отырып, I V профилін анықтау мүмкін. [111 113] дегенді білдіреді. [[File:Fig222 Полой катодтық қисық. PNGиіііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііііі [[File:Fig223 Hollow Cathode Geometry. Қалыптастыру:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша:Қосымша: PNG "H" дыбысының диаграммасы фотоэмиссия, екінші электронды және екінші ионды эмиссия.

Электродинамикалық тіреу жүйесінің негіздері

Барлық соңғы электронды эмитерлерді, коллекторларды және теорияны бір модельге біріктіру үшін алдымен ЭДТ жүйесін анықтау және шығару керек. Бұл іске асқаннан кейін осы теорияны жүйелік атрибуттардың оңтайландыруларын анықтауға қолдануға болады. ЭДТ жүйесінде сандық түрде қатысатын потенциалдар мен токтарды шешетін бірқатар деривациялар бар. Толық EDT жүйесінің түзілуі мен сандық әдістемесі сипатталады, оған жалаңаш тірек секциясы, өткізгіш тіректі оқшаулау, электронды (және ионды) соңғы дене эмитерлері және пассивті электронды жинау кіреді. Одан кейін қарапайым, барлық оқшауланған байлам үлгісі. Кейін арнайы ЭДТ құбылыстары мен ЭДТ жүйесінің үлгісін эксперименттік миссия деректерін пайдалану арқылы тексеру талқыланады.