Нелокальная модель электризации капельного потока под действием факторов космического пространства
Ключевые слова:
капельный холодильник-излучатель, факторы космического пространства, плазма, электризация
Аннотация
Cоздание мощных космических энергетических установок неизбежно требует решения задачи отвода низкопотенциального тепла от космических аппаратов. Недостатком традиционно используемых панельных излучателей является быстрое увеличение площади их поверхности с повышением мощности, а также массы и метеоритной уязвимости. Использование капельных холодильников-излучателей, в которых в качестве излучающей поверхности выступает нагретый капельный поток, позволяет решить соответствующую задачу. Капли теплоносителя создаются генератором, остывают при свободном распространении в космосе за счет излучения, а остывший поток собирается уловителем. Под действием факторов космического пространства капли электризуются с последующим искривлением траекторий движения. В статье рассмотрены закономерности электризации капельной пелены. Разработана нелокальная модель электризации, учитывающая эффект утилизации заряда при улавливании капельного потока. Изучено влияние геометрии потока на закономерности электризации и разлета капель под действием электростатических сил. Обосновано влияние синергетических эффектов взаимодействия капельного потока с факторами космического пространства.
Литература
1. Бондарева Н.В. и др. Бескаркасные системы отвода низкопотенциального тепла в космосе: успехи отработок и нерешённые задачи. – Известия РАН. Энергетика, 2015, № 4, с. 130–142.
2. Сафронов А.А. и др. Изгиб вязкой струи, истекающей из капиллярного отверстия. – Инженерно-физический журнал, 2022, т. 95, № 1, с. 72–79.
3. Lei Z. et al. Three-Dimensional Numerical Analysis and Experimental Confirmation for Investigating the Ground-Based Lateral Droplet Ejection Toward Microgravity Simulation. – Physics of Fluids, 2022, 103317-3.
4. Guildenbecher D.R. et al. Evaporation and Propagation of Liquid Drop Streams at Vacuum Pressures: Experiments and Modeling. – Physical Review E, 2021, 103(4-1), DOI:10.1103/PhysRevE.103.043105.
5. Коротеев А.А., Нагель Ю.А., Сафронов А.А. Решение краевой задачи для уравнения Пуассона для движущейся заряженной капельной пелены в форме прямоугольного параллелепипеда. – Электричество, 2014, № 7, с. 11–16.
6. Joslyn T.B., Ketsdever A.D. Droplet Charging Effects in the Space Environment. – 27th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, 2011, 1333, pp. 1079–1084, DOI:10.1063/1.3562788.
7. Joslyn T.B., Ketsdever A.D. Constant Momentum Exchange between Microspacecraft Using Liquid Droplet Thrusters. – 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2010, DOI:10.2514/6.2010-6966.
8. Новиков Л.С. и др. Электризация капельных струй в космической плазме. – Концентрированные потоки энергии в космической технике электронике, экологии и медицине, 2011 [Электрон. ресурс], URL: nuclphys.sinp.msu.ru/school/s11/11_32.pdf (дата обращения 07.02.2024).
9. Orme M., Muntz E.P. Applications to Space Operations of Free-Flying, Controlled Streams of Liquids. – Journal of Spacecraft and Rockets, 1986, 23(4), pp. 411–419, DOI: 10.2514/3.25822.
10. Muntz E.P., Orme M. Characteristics, Control, and Uses of Liquid Streams in Space. – 23rd Aerospace Sciences Meeting, 1985, DOI: 10.2514/6.1985-305.
11. Акишин А., Новиков Л. Электризация космических аппаратов. М.: Знание, 1985, 64 с.
12. Горохов М.В. и др. Исследование зарядки металлических микрочастиц в потоке электронов. – Письма в журнал технической физики, 2016, т. 42, вып. 6, с. 55–61.
13. Панасюк М., Новиков Л. Модель космоса. Т. 2. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. М.: КДУ, 2007, 1145 с.
14. Новиков Л.С. Взаимодействие космических аппаратов с окружающей плазмой. М.: Университетская книга, 2006, 120 с.
15. Надирадзе А.Б. и др. Формирование собственной внешней ионосферы космических аппаратов и эффекты ее воздействия. –Труды МАИ, 2011, вып. 43.
16. Вопросы теории плазмы. Вып. 1 / под ред. М.А. Леонтовича. M.: Госатомиздат, 1963, 290 с.
17. Коротеев А.А., Сафронов А.А., Филатов Н.И. Влияние структуры капельной пелены на мощность бескаркасных космических излучателей и эффективность энергетических установок. – Теплофизика высоких температур, 2016, т. 54, № 5, с. 817–820.
18. Нусинов М.Д. Влияние космического вакуума на материалы и устройства научной аппаратуры. М.: Машиностроение, 1987, 48 с.
19. Блашенков Н.М, Лаврентьев Г.Я. Исследование неравновесной поверхностной ионизации методом полевой поверхностно-ионизационной масс-спектрометрии. – Успехи физических наук, 2007, т. 177, № 1, с. 59–85.
20. Данилкин В.А. Собственная внешняя атмосфера космических аппаратов и ее влияние на параметры радиосигналов бортовых радиотехнических систем. – Теплофизика и аэромеханика, 2008, т. 5, № 1, с. 75–78.
21. Meyer-Vernet N. Flip-Flop of Electric Potential of Dust Grains in Space. – Astronomy and Astrophysics, 1981, 105, pp. 98–106.
#
1. Bondareva N.V. et al. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Energy Industry), 2015, No. 4, pp. 130–142.
2. Safronov А.А. et al. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal – in Russ. (Engineering and Physics Journal), 2022, vol. 95, No. 1, pp. 72–79.
3. Lei Z. et al. Three-Dimensional Numerical Analysis and Experimental Confirmation for Investigating the Ground-Based Lateral Droplet Ejection Toward Microgravity Simulation. – Physics of Fluids, 2022, 103317-3.
4. Guildenbecher D.R. et al. Evaporation and Propagation of Liquid Drop Streams at Vacuum Pressures: Experiments and Modeling. – Physical Review E, 2021, 103(4-1), DOI:10.1103/PhysRevE.103.043105.
5. Koroteev A.A., Nagel' Yu.A., Safronov А.А. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2014, No. 7, pp. 11–16.
6. Joslyn T.B., Ketsdever A.D. Droplet Charging Effects in the Space Environment. – 27th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, 2011, 1333, pp. 1079–1084, DOI:10.1063/1.3562788.
7. Joslyn T.B., Ketsdever A.D. Constant Momentum Exchange between Microspacecraft Using Liquid Droplet Thrusters. – 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2010, DOI:10.2514/6.2010-6966.
8. Novikov L.S. et al. Elektrizatsiya kapel'nyh struy v kosmicheskoy plazme (Electrification of Droplet Jets in Space Plasma) [Electron. resource], URL: nuclphys.sinp.msu.ru/school/s11/11_32.pdf (Date of appeal 07.02.2024).
9. Orme M., Muntz E.P. Applications to Space Operations of Free-Flying, Controlled Streams of Liquids. – Journal of Spacecraft and Rockets, 1986, 23(4), pp. 411–419, DOI: 10.2514/3.25822.
10. Muntz E.P., Orme M. Characteristics, Control, and Uses of Liquid Streams in Space. – 23rd Aerospace Sciences Meeting, 1985, DOI: 10.2514/6.1985-305.
11. Akishin A., Novikov L. Elektrizatsiya kosmicheskih apparatov (Electrization of Spacecraft). М.: Znanie, 1985, 64 p.
12. Gorohov M.V. et al. Pis'ma v zhurnal tekhnicheskoy fiziki – in Russ. (Letters to the Journal of Technical Physics), 2016, vol. 42, iss. 6, pp. 55–61.
13. Panasyuk M., Novikov L. Model' kosmosa. T. 2. Vozdeystvie kosmicheskoy sredy na materialy i oborudovanie kosmicheskih apparatov (Model of space. Vol. 2. Impact of the Space Environment on Materials and Equipment of Spacecraft). М.: KDU, 2007, 1145 p.
14. Novikov L.S. Vzaimodeystvie kosmicheskih apparatov s okru-zhayushchey plazmoy (Interaction of Spacecraft with Surrounding Plasma). M.: Universitetskaya kniga, 2006, 120 p.
15. Nadiradze A.B. et al. Trudy MAI – in Russ. (The Works of MAI), 2011, iss. 43.
16. Voprosy teorii plazmy (Questions of Plasma Theory). Iss. 1 / By Ed. М.А. Leontovich. M.: Gosatomizdat, 1963, 290 p.
17. Koroteev A.A., Safronov A.A., Filatov N.I. Teplofizika vyso-kih temperatur – in Russ. (High Temperature Thermophysics), 2016, vol. 54, No. 5, pp. 817–820.
18. Nusinov M.D. Vliyanie kosmicheskogo vakuuma na materialy i ustroystva nauchnoy apparatury (The Influence of the Cosmic Vacuum on Materials and Devices of Scientific Equipment). M.: Mashinostroenie, 1987, 48 p.
19. Blashenkov N.M, Lavrent'ev G.Ya. Uspekhi fizicheskih nauk – in Russ. (Achievements of Physical Sciences), 2007, vol. 177, No. 1, pp. 59–85.
20. Danilkin V.А. Teplofizika i aeromekhanika – in Russ. (Thermophysics and Aeromechanics), 2008, vol. 5, No. 1, pp. 75–78.
21. Meyer-Vernet N. Flip-Flop of Electric Potential of Dust Grains in Space. – Astronomy and Astrophysics, 1981, 105, pp. 98–106.
2. Сафронов А.А. и др. Изгиб вязкой струи, истекающей из капиллярного отверстия. – Инженерно-физический журнал, 2022, т. 95, № 1, с. 72–79.
3. Lei Z. et al. Three-Dimensional Numerical Analysis and Experimental Confirmation for Investigating the Ground-Based Lateral Droplet Ejection Toward Microgravity Simulation. – Physics of Fluids, 2022, 103317-3.
4. Guildenbecher D.R. et al. Evaporation and Propagation of Liquid Drop Streams at Vacuum Pressures: Experiments and Modeling. – Physical Review E, 2021, 103(4-1), DOI:10.1103/PhysRevE.103.043105.
5. Коротеев А.А., Нагель Ю.А., Сафронов А.А. Решение краевой задачи для уравнения Пуассона для движущейся заряженной капельной пелены в форме прямоугольного параллелепипеда. – Электричество, 2014, № 7, с. 11–16.
6. Joslyn T.B., Ketsdever A.D. Droplet Charging Effects in the Space Environment. – 27th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, 2011, 1333, pp. 1079–1084, DOI:10.1063/1.3562788.
7. Joslyn T.B., Ketsdever A.D. Constant Momentum Exchange between Microspacecraft Using Liquid Droplet Thrusters. – 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2010, DOI:10.2514/6.2010-6966.
8. Новиков Л.С. и др. Электризация капельных струй в космической плазме. – Концентрированные потоки энергии в космической технике электронике, экологии и медицине, 2011 [Электрон. ресурс], URL: nuclphys.sinp.msu.ru/school/s11/11_32.pdf (дата обращения 07.02.2024).
9. Orme M., Muntz E.P. Applications to Space Operations of Free-Flying, Controlled Streams of Liquids. – Journal of Spacecraft and Rockets, 1986, 23(4), pp. 411–419, DOI: 10.2514/3.25822.
10. Muntz E.P., Orme M. Characteristics, Control, and Uses of Liquid Streams in Space. – 23rd Aerospace Sciences Meeting, 1985, DOI: 10.2514/6.1985-305.
11. Акишин А., Новиков Л. Электризация космических аппаратов. М.: Знание, 1985, 64 с.
12. Горохов М.В. и др. Исследование зарядки металлических микрочастиц в потоке электронов. – Письма в журнал технической физики, 2016, т. 42, вып. 6, с. 55–61.
13. Панасюк М., Новиков Л. Модель космоса. Т. 2. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. М.: КДУ, 2007, 1145 с.
14. Новиков Л.С. Взаимодействие космических аппаратов с окружающей плазмой. М.: Университетская книга, 2006, 120 с.
15. Надирадзе А.Б. и др. Формирование собственной внешней ионосферы космических аппаратов и эффекты ее воздействия. –Труды МАИ, 2011, вып. 43.
16. Вопросы теории плазмы. Вып. 1 / под ред. М.А. Леонтовича. M.: Госатомиздат, 1963, 290 с.
17. Коротеев А.А., Сафронов А.А., Филатов Н.И. Влияние структуры капельной пелены на мощность бескаркасных космических излучателей и эффективность энергетических установок. – Теплофизика высоких температур, 2016, т. 54, № 5, с. 817–820.
18. Нусинов М.Д. Влияние космического вакуума на материалы и устройства научной аппаратуры. М.: Машиностроение, 1987, 48 с.
19. Блашенков Н.М, Лаврентьев Г.Я. Исследование неравновесной поверхностной ионизации методом полевой поверхностно-ионизационной масс-спектрометрии. – Успехи физических наук, 2007, т. 177, № 1, с. 59–85.
20. Данилкин В.А. Собственная внешняя атмосфера космических аппаратов и ее влияние на параметры радиосигналов бортовых радиотехнических систем. – Теплофизика и аэромеханика, 2008, т. 5, № 1, с. 75–78.
21. Meyer-Vernet N. Flip-Flop of Electric Potential of Dust Grains in Space. – Astronomy and Astrophysics, 1981, 105, pp. 98–106.
#
1. Bondareva N.V. et al. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Energy Industry), 2015, No. 4, pp. 130–142.
2. Safronov А.А. et al. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal – in Russ. (Engineering and Physics Journal), 2022, vol. 95, No. 1, pp. 72–79.
3. Lei Z. et al. Three-Dimensional Numerical Analysis and Experimental Confirmation for Investigating the Ground-Based Lateral Droplet Ejection Toward Microgravity Simulation. – Physics of Fluids, 2022, 103317-3.
4. Guildenbecher D.R. et al. Evaporation and Propagation of Liquid Drop Streams at Vacuum Pressures: Experiments and Modeling. – Physical Review E, 2021, 103(4-1), DOI:10.1103/PhysRevE.103.043105.
5. Koroteev A.A., Nagel' Yu.A., Safronov А.А. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2014, No. 7, pp. 11–16.
6. Joslyn T.B., Ketsdever A.D. Droplet Charging Effects in the Space Environment. – 27th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, 2011, 1333, pp. 1079–1084, DOI:10.1063/1.3562788.
7. Joslyn T.B., Ketsdever A.D. Constant Momentum Exchange between Microspacecraft Using Liquid Droplet Thrusters. – 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2010, DOI:10.2514/6.2010-6966.
8. Novikov L.S. et al. Elektrizatsiya kapel'nyh struy v kosmicheskoy plazme (Electrification of Droplet Jets in Space Plasma) [Electron. resource], URL: nuclphys.sinp.msu.ru/school/s11/11_32.pdf (Date of appeal 07.02.2024).
9. Orme M., Muntz E.P. Applications to Space Operations of Free-Flying, Controlled Streams of Liquids. – Journal of Spacecraft and Rockets, 1986, 23(4), pp. 411–419, DOI: 10.2514/3.25822.
10. Muntz E.P., Orme M. Characteristics, Control, and Uses of Liquid Streams in Space. – 23rd Aerospace Sciences Meeting, 1985, DOI: 10.2514/6.1985-305.
11. Akishin A., Novikov L. Elektrizatsiya kosmicheskih apparatov (Electrization of Spacecraft). М.: Znanie, 1985, 64 p.
12. Gorohov M.V. et al. Pis'ma v zhurnal tekhnicheskoy fiziki – in Russ. (Letters to the Journal of Technical Physics), 2016, vol. 42, iss. 6, pp. 55–61.
13. Panasyuk M., Novikov L. Model' kosmosa. T. 2. Vozdeystvie kosmicheskoy sredy na materialy i oborudovanie kosmicheskih apparatov (Model of space. Vol. 2. Impact of the Space Environment on Materials and Equipment of Spacecraft). М.: KDU, 2007, 1145 p.
14. Novikov L.S. Vzaimodeystvie kosmicheskih apparatov s okru-zhayushchey plazmoy (Interaction of Spacecraft with Surrounding Plasma). M.: Universitetskaya kniga, 2006, 120 p.
15. Nadiradze A.B. et al. Trudy MAI – in Russ. (The Works of MAI), 2011, iss. 43.
16. Voprosy teorii plazmy (Questions of Plasma Theory). Iss. 1 / By Ed. М.А. Leontovich. M.: Gosatomizdat, 1963, 290 p.
17. Koroteev A.A., Safronov A.A., Filatov N.I. Teplofizika vyso-kih temperatur – in Russ. (High Temperature Thermophysics), 2016, vol. 54, No. 5, pp. 817–820.
18. Nusinov M.D. Vliyanie kosmicheskogo vakuuma na materialy i ustroystva nauchnoy apparatury (The Influence of the Cosmic Vacuum on Materials and Devices of Scientific Equipment). M.: Mashinostroenie, 1987, 48 p.
19. Blashenkov N.M, Lavrent'ev G.Ya. Uspekhi fizicheskih nauk – in Russ. (Achievements of Physical Sciences), 2007, vol. 177, No. 1, pp. 59–85.
20. Danilkin V.А. Teplofizika i aeromekhanika – in Russ. (Thermophysics and Aeromechanics), 2008, vol. 5, No. 1, pp. 75–78.
21. Meyer-Vernet N. Flip-Flop of Electric Potential of Dust Grains in Space. – Astronomy and Astrophysics, 1981, 105, pp. 98–106.
