Введение
Длинные проводящие провода, которые могут действовать как электродвигатели или генераторы Электродинамические связки (EDT) - это длинные проводящие провода, такие как развернутые с спутника связи, которые могут работать по электромагнитным принципам как генераторы, преобразуя их кинетическую энергию в электрическую энергию, или как двигатели, преобразующие электрическую энергию в кинетическую энергию. Электрический потенциал генерируется через проводящий шнур его движением через магнитное поле планеты. Ряд миссий продемонстрировал электродинамические связки в космосе, в частности, эксперименты TSS 1, TSS 1R и генератор плазменного двигателя (PMG).
Electrodynamic tethers (EDTs) are long conducting wires, such as one deployed from a tether satellite, which can operate on electromagnetic principles as generators, by converting their kinetic energy to electrical energy, or as motors, converting electrical energy to kinetic energy. Electric potential is generated across a conductive tether by its motion through a planet's magnetic field. A number of missions have demonstrated electrodynamic tethers in space, most notably the TSS 1, TSS 1R, and Plasma Motor Generator (PMG) experiments.
Двигательная установка привязки
В рамках системы тяги, корабль может использовать длинные, прочные проводники (хотя не все проводники являются проводящими) для изменения орбиты космического корабля. Это может значительно удешевить космические путешествия. При применении постоянного тока к шнуру он оказывает лоренцево-моторную силу на магнитное поле, а шнур оказывает силу на транспортное средство. Его можно использовать для ускорения или торможения орбитального космического корабля. В 2012 году Star Technology and Research получила контракт на 1,9 миллиона долларов на разработку системы тяги для удаления орбитального мусора.
Контейнеры в качестве генераторов
Электродинамический привод прикрепляется к объекту, привод ориентирован под углом к локальной вертикали между объектом и планетой с магнитным полем. Дальний конец шнура может быть оставлен голым, создавая электрический контакт с ионосферой. Когда шнур пересекает магнитное поле планеты, он генерирует ток, и тем самым преобразует часть кинетической энергии орбитального тела в электрическую энергию. По функциональному признаку электроны перетекают из космической плазмы в проводящий шнур, проходят через сопротивляющую нагрузку в блоке управления и излучаются в космическую плазму излучателем электронов в виде свободных электронов. В результате этого процесса на привязку и прикрепленный объект действует электродинамическая сила, замедляя их орбитальное движение. В широком смысле этот процесс можно сравнить с обычной ветряной мельницей, где сила сопротивления резистивной среды (воздуха или, в данном случае, магнитосферы) используется для преобразования кинетической энергии относительного движения (ветра или импульса спутника) в электричество. В принципе, компактные генераторы с высоким напряжением возможны, и, с базовым оборудованием, десятки, сотни и тысячи киловатт, кажется, достижимы.
Напряжение по проводнику
При длинном проводящем проводе длиной L в проводе генерируется электрическое поле E. Он создает напряжение V между противоположными концами провода. Это можно выразить как: где угол τ находится между вектором длины (L) привязки и вектором электрического поля (E), предполагается, что он находится в вертикальном направлении под прямым углом к вектору скорости (v) в плоскости, а вектор магнитного поля (B) находится вне плоскости.
where the angle τ is between the length vector (L) of the tether and the electric field vector (E), assumed to be in the vertical direction at right angles to the velocity vector (v) in plane and the magnetic field vector (B) is out of the plane.
Ток в проводнике
Электродинамический привод можно описать как тип термодинамически "открытой системы". Электродинамические цепи привязки не могут быть завершены просто с использованием другого провода, поскольку другой привязка будет развивать аналогичное напряжение. К счастью, магнитосфера Земли не "пустая", и в близких к Земле регионах (особенно вблизи атмосферы Земли) существуют высокоэлектрически проводящие плазмы, которые частично ионизируются солнечным излучением или другой излучающей энергией. Плотность электронов и ионов варьируется в зависимости от различных факторов, таких как местоположение, высота, сезон, цикл солнечных пятен и уровень загрязнения. Известно, что положительно заряженный голый проводник может легко удалить свободные электроны из плазмы. Таким образом, для завершения электрической цепи необходима достаточно большая площадь неизолированного проводника на верхнем положительно заряженном конце связки, что позволяет потоку протекать через связку. Однако противоположному (отрицательному) концу шнура труднее выбрасывать свободные электроны или собирать положительные ионы из плазмы. Вполне вероятно, что, используя очень большую область сбора на одном конце привязки, можно собрать достаточно ионов, чтобы обеспечить значительный ток через плазму. Это было продемонстрировано во время миссии TSS 1R на орбите шаттла, когда сам шаттл использовался в качестве большого плазменного контактора для обеспечения более чем ампером тока. Улучшенные методы включают создание излучателя электронов, такого как термоионный катод, плазменный катод, плазменный контактор или устройство эмиссии полевых электронов. Поскольку оба конца шнура "открыты" для окружающей плазмы, электроны могут выходить из одного конца шнура, в то время как соответствующий поток электронов входит в другой конец. Таким образом, напряжение, которое электромагнитно индуцируется в цепи, может привести к тому, что ток будет протекать через окружающую космическую среду, завершая электрическую цепь через то, что на первый взгляд кажется открытым.
Сбор / выброс тока для системы EDT: теория и технология
Понимание сбора электрона и ионного тока в окружающую плазму и из нее имеет решающее значение для большинства систем EDT. Любая открытая проводящая секция системы EDT может пассивно ("пассивное" и "активное" излучение относится к использованию заранее сохраненной энергии для достижения желаемого эффекта) собирать электронный или ионный ток, в зависимости от электрического потенциала корпуса космического аппарата по отношению к окружающей плазме. Кроме того, геометрия проводящего корпуса играет важную роль в размере оболочки и, следовательно, в общей возможности сбора. В результате существует ряд теорий различных методов сбора. Первичными пассивными процессами, которые контролируют сбор электронов и ионов в системе EDT, являются сбор теплового тока, эффекты сбора ионных баров, фотоэмиссия электронов и, возможно, вторичная эмиссия электронов и ионов. Кроме того, коллекция вдоль тонкой голой веревки описывается с использованием теории ограниченного орбитального движения (OML), а также теоретических выводов из этой модели в зависимости от физического размера относительно длины Дебье плазмы. Эти процессы происходят по всему открытому проводному материалу всей системы. Экологические и орбитальные параметры могут значительно влиять на количество собранного тока. Некоторые важные параметры включают плотность плазмы, температуру электронов и ионов, молекулярную массу ионов, силу магнитного поля и орбитальную скорость относительно окружающей плазмы. Кроме того, в системе ЭДТ используются активные методы сбора и выброса. Это происходит с помощью устройств, таких как плазменные контакторы с полыми катодами, термоионные катоды и массивы полевых излучателей. В статье подробно рассматривается физическая конструкция каждого из этих сооружений, а также текущие возможности выбросов.
Непроницаемые проводящие шнуры
Концепция сбора тока на голую проводящую связку была впервые формализована Санмартином и Мартинес Санчесом. определяется как характерное расстояние экранирования в плазме и описывается уравнением Это расстояние, при котором все электрические поля в плазме, возникающие в результате проводящего тела, упали на 1/e, может быть вычислено. Теория ОМЛ определяется с предположением, что длина электрона Дебье равна или больше размера объекта, а плазма не течет. Режим OML возникает, когда оболочка становится достаточно толстой, так что орбитальные эффекты становятся важными в сборе частиц. Эта теория учитывает и сохраняет энергию частиц и угловой момент. В результате не все частицы, которые попадают на поверхность толстой оболочки, собираются. Размер оболочки определяется напряжением сборной конструкции относительно окружающей плазмы, а также плотностью и температурой окружающей плазмы. Это ускоряющее (или замедляющее) напряжение в сочетании с энергией и импульсом поступающих частиц определяет количество тока, собираемого через плазменную оболочку. Режим ограничения орбитального движения достигается, когда радиус цилиндра достаточно мал, чтобы все входящие траектории частиц, которые собираются, заканчивались на поверхности цилиндра и были соединены с плазмой фона, независимо от их начального углового момента (то есть ни одна из них не соединена с другим местом на поверхности зонда). Поскольку в квазинейтральной плазме без столкновений функция распределения сохраняется вдоль орбит частиц, наличие всех "направлений прибытия" соответствует верхнему пределу набранного тока на единицу площади (не общего тока). В системе EDT наилучшая производительность для данной массы привязки для диаметра привязки, выбранного меньше, чем длина электрона Дебье для типичных ионосферных условий окружающей среды (типичные ионосферные условия в диапазоне высоты от 200 до 2000 км, имеют T e от 0,1 eV до 0,35 eV, и n e от 10^10 m^3 до 10^12 m^3), поэтому он находится в режиме OML. Геометрии привязки за пределами этого измерения были рассмотрены. Сбор данных по OML будет использоваться в качестве исходного уровня при сравнении результатов текущего сбора данных для различных геометрий и размеров привязки. В 1962 году Джеральд Розен вывел уравнение, которое теперь известно как теория заряда пыли OML. По словам Роберта Мерлино из Университета Айовы, Розен, похоже, пришел к уравнению на 30 лет раньше всех остальных.
This distance, where all electric fields in the plasma resulting from the conductive body have fallen off by 1/e, can be calculated. OML theory is defined with the assumption that the electron Debye length is equal to or larger than the size of the object and the plasma is not flowing. The OML regime occurs when the sheath becomes sufficiently thick such that orbital effects become important in particle collection. This theory accounts for and conserves particle energy and angular momentum. As a result, not all particles that are incident onto the surface of the thick sheath are collected. The voltage of the collecting structure with respect to the ambient plasma, as well as the ambient plasma density and temperature, determines the size of the sheath. This accelerating (or decelerating) voltage combined with the energy and momentum of the incoming particles determines the amount of current collected across the plasma sheath. The orbital motion limit regime is attained when the cylinder radius is small enough such that all incoming particle trajectories that are collected are terminated on the cylinder's surface are connected to the background plasma, regardless of their initial angular momentum (i. e., none are connected to another location on the probe's surface). Since, in a quasi neutral collisionless plasma, the distribution function is conserved along particle orbits, having all “directions of arrival” populated corresponds to an upper limit on the collected current per unit area (not total current). In an EDT system, the best performance for a given tether mass is for a tether diameter chosen to be smaller than an electron Debye length for typical ionospheric ambient conditions (Typical ionospheric conditions in the from 200 to 2000 km altitude range, have a T e ranging from 0.1 eV to 0.35 eV, and n e ranging from 10^10 m^ 3 to 10^12 m^ 3 ), so it is therefore within the OML regime. Tether geometries outside this dimension have been addressed. OML collection will be used as a baseline when comparing the current collection results for various sample tether geometries and sizes. In 1962 Gerald H. Rosen derived the equation that is now known as the OML theory of dust charging. According to Robert Merlino of the University of Iowa, Rosen seems to have arrived at the equation 30 years before anyone else.
Отклонения от теории ОМЛ в не текущей плазме
По ряду практических причин сбор тока в обнаженный EDT не всегда удовлетворяет предположению теории сбора OML. Понимание того, как прогнозируемая производительность отклоняется от теории, важно для этих условий. Две наиболее распространенные геометрии для EDT предполагают использование цилиндрического провода и плоской ленты. Пока цилиндрическая связка имеет радиус меньше одной длины Дебье, она будет собираться в соответствии с теорией ОМЛ. Однако, как только ширина превышает это расстояние, коллекция все больше отклоняется от этой теории. Если геометрия привязки представляет собой плоскую ленту, то для преобразования нормированной ширины ленты в эквивалентный радиус цилиндра можно использовать приближение. Это было впервые сделано Санмартином и Эстесом, а в последнее время с использованием 2-мерного кинетического плазменного растворителя (KiPS 2 D) Чонире и др. Этот анализ текущей плазмы, как он применяется к EDT, был обсужден.
Режим сбора электронов плазмы
Следующий шаг в разработке более реалистичной модели сбора тока - включить эффекты магнитного поля и эффекты потока плазмы. Предполагая, что плазма не имеет столкновений, электроны и ионы вращаются вокруг линий магнитного поля, когда они перемещаются между полюсами вокруг Земли из-за сил магнитного зеркального отражения и дрейфа градиентной кривизны. Они вращаются в определенном радиусе и частоте, в зависимости от их массы, силы магнитного поля и энергии. Эти факторы должны учитываться в современных моделях сбора.
Модель сбора ионов плазмы в потоке
Когда проводящее тело отрицательно смещено по отношению к плазме и движется выше тепловой скорости ионов, в работе присутствуют дополнительные механизмы сбора. Для типичных низких орбит Земли (LEO), между 200 км и 2000 км, скорости в инерциальной системе отсчета варьируются от 7,8 км / с до 6,9 км / с для круговой орбиты, а атмосферные молекулярные веса варьируются от 25,0 аму (O +, O2 +, & NO +) до 1,2 аму (в основном H +), соответственно. Предполагая, что температура электронов и ионов колеблется от ~ 0,1 eV до 0,35 eV, получаемая скорость ионов колеблется от 875 м/с до 4,0 км/с от 200 км до 2000 км высоты, соответственно. Электроны движутся со скоростью около 188 км/с по всей низкой орбите. Это означает, что орбитальное тело движется быстрее ионов и медленнее электронов, или на мезосонической скорости. Это приводит к уникальному явлению, при котором орбитальное тело "пробивается" через окружающие ионы в плазме, создавая луч, похожий на эффект в системе отсчета орбитального тела.
Пористые конечности
Пористые конечные тела были предложены как способ уменьшить сопротивление сборного конечного тела, в идеале сохраняя аналогичный сбор тока. Они часто моделируются как твердые конечные тела, за исключением того, что они составляют небольшой процент поверхности твердых сфер. Однако это крайнее упрощение понятия. Многое предстоит узнать о взаимодействии между структурой оболочки, геометрией сетки, размером конечного тела и его отношением к сбору тока. Эта технология также может решить ряд проблем, связанных с ЭДТ. Уменьшение отдачи с потоком сбора и площадью сопротивления установило предел, который пористые привязки могут преодолеть. Работа была выполнена на текущем сборе с использованием пористых сфер, Стоун и др. и Khazanov et al. Было показано, что можно оценить максимальный ток, собранный сферой сетки, по сравнению с массой и уменьшением сопротивления. Противодействие на единицу собранного тока для сетчатой сферы с прозрачностью 80 - 90% примерно в 1,2 - 1,4 раза меньше, чем у твердой сферы того же радиуса. Уменьшение массы на единицу объема для этого же сравнения составляет 2,4 2,8 раза. Этот предел зависит от площади поверхности излучения, разности потенциалов в пространстве плазмы и расстояния между ними. Дальнейшее обсуждение этой темы можно найти в следующей статье.
Излучатели электронов
Существует три технологии активного излучения электронов, обычно рассматриваемые для применения в EDT: полые катодные плазменные контакторы (HCPC), термионные катоды (TC) и полевые эмиссионные катоды (FEC), часто в виде массивов полевых эмиттеров (FEA). Для каждого устройства будут представлены конфигурации на уровне системы, а также относительные затраты, выгоды и валидация.
Термионный катод (ТК)
Термионная эмиссия - это поток электронов от нагретой заряженной металлической или оксидной поверхности металла, вызванный тепловой вибрационной энергией, преодолевающей рабочую функцию (электростатические силы, удерживающие электроны на поверхности). Плотность течения термионического излучения, J, быстро возрастает с увеличением температуры, высвобождая значительное количество электронов в вакуум вблизи поверхности. Количественное отношение дано в уравнении, которое называется уравнением Ричарда Душмана или уравнением Ричарда. (ф составляет приблизительно 4,54 ЭВ и AR ~ 120 А/см2 для вольфрама). После того, как электроны термоионно излучаются с поверхности ТС, им требуется потенциал ускорения, чтобы пересечь разрыв, или в этом случае плазменную оболочку. Электроны могут достичь этой необходимой энергии, чтобы избежать SCL плазменной оболочки, если используется ускоренная сетка или электронная пушка. Уравнение показывает, какой потенциал необходим в сети для того, чтобы излучать определенный ток, поступающий в устройство. Здесь η - эффективность электронной пушки (EGA) (~0,97 в TSS 1), ρ - проницаемость EGA (7,2 микроперв в TSS 1), ΔVtc - напряжение через ускорительную сетку EGA, и It - излучаемый ток.]] Выброс электронов TC будет происходить в одном из двух различных режимов: температурный или пространственный заряд ограниченного потока тока. Для температурно ограниченного потока каждый электрон, который получает достаточно энергии, чтобы вырваться с поверхности катода, излучается, при условии, что потенциал ускорения электронного пистолета достаточно велик. В этом случае, эмиссионный ток регулируется термионическим процессом эмиссии, данным уравнением Ричардсона Душмана. В потоке электронного тока SCL излучается так много электронов из катода, что не все из них достаточно ускоряются электронной пушкой, чтобы избежать космического заряда. В этом случае потенциал ускорения электронного пушки ограничивает эмиссионный ток. На приведенной ниже диаграмме показаны ограничивающие температуру токи и эффекты SCL. По мере увеличения энергии пучка электронов можно наблюдать увеличение общего количества ускользающих электронов. Кривые, которые становятся горизонтальными, являются ограничивающими температуру случаями.
This equation is called the Richardson Dushman or Richardson equation. (ф is approximately 4.54 eV and AR ~120 A/cm2 for tungsten). Once the electrons are thermionically emitted from the TC surface they require an acceleration potential to cross a gap, or in this case, the plasma sheath. Electrons can attain this necessary energy to escape the SCL of the plasma sheath if an accelerated grid, or electron gun, is used. The equation
shows what potential is needed across the grid in order to emit a certain current entering the device. Here, η is the electron gun assembly (EGA) efficiency (~0.97 in TSS 1), ρ is the perveance of the EGA (7.2 micropervs in TSS 1), ΔVtc is the voltage across the accelerating grid of the EGA, and It is the emitted current.]] TC electron emission will occur in one of two different regimes: temperature or space charge limited current flow. For temperature limited flow every electron that obtains enough energy to escape from the cathode surface is emitted, assuming the acceleration potential of the electron gun is large enough. In this case, the emission current is regulated by the thermionic emission process, given by the Richardson Dushman equation. In SCL electron current flow there are so many electrons emitted from the cathode that not all of them are accelerated enough by the electron gun to escape the space charge. In this case, the electron gun acceleration potential limits the emission current. The below chart displays the temperature limiting currents and SCL effects. As the beam energy of the electrons is increased, the total escaping electrons can be seen to increase. The curves that become horizontal are temperature limited cases.
Полый катод
Полые катоды излучают плотный облак плазмы, сначала ионизируя газ. Это создает плазменный шлейф высокой плотности, который вступает в контакт с окружающей плазмой. Область между пломбой высокой плотности и окружающей плазмой называется двойной оболочкой или двойным слоем. Этот двойной слой - это, по сути, два смежных слоя заряда. Первый слой - положительный слой на краю высокопотенциальной плазмы (облако плазмы контактора). Второй слой - отрицательный слой на краю низкопотенциальной плазмы (окружающей плазмы). Дальнейшее исследование феномена двойного слоя было проведено несколькими людьми. Один тип полого катода состоит из металлической трубки, облицованной вставкой из вольфрама, пропитанной оксидом бария, на одной стороне которой находится пластина с небольшим отверстием, как показано на рисунке ниже. Высокие скорости электронов приводят к электронным токам, намного большем, чем ксеноновые ионные токи. Ниже предела насыщенности электронной эмиссии контактник действует как биполярный эмиссионный зонд. Каждый исходящий ион, генерируемый электроном, позволяет излучать несколько электронов. Это число примерно равно квадратному корню соотношения массы иона к массе электрона. На приведенной ниже диаграмме можно увидеть, как выглядит типичная I V-кривая для полого катода в режиме выброса электронов. При определённой геометрии держателя (кольцо на рисунке выше, через которое выходят электроны), скорости потока ионов и Vp, можно определить профиль I V. [111 113]. [[Файл:Fig222 Полой катодной кривой. [[Файл:Fig223 Геометрия полых катодов. PNG "Объем" "Объем" 400px "Объем" Типичная схема, детализирующая геометрию выброса HC. фотоэмиссия, вторичная эмиссия электронов и вторичная эмиссия ионов.
Основы системы электродинамического привязки
Для того, чтобы интегрировать все новейшие электронные излучатели, коллекторы и теорию в единую модель, сначала необходимо определить и вывести систему EDT. После этого можно будет применить эту теорию к определению оптимизации атрибутов системы. Существует ряд производных, которые решают потенциалы и токи, участвующие в системе EDT, численно. Описаны вывод и численная методология полной системы EDT, включающей в себя секцию голых связок, изолирующий проводящий связки, электронные (и ионные) излучатели конечного тела и пассивное сбор электронов. Затем следует упрощенная модель, полностью изолированная. Затем будут рассмотрены особые явления EDT и проверка модели системы EDT с использованием экспериментальных данных миссии.