Энергетические характеристики электродинамических тросовых систем

• Автор: Лукьяненко, Максим Михайлович
• Шифр специальности: 05.09.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 215 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТРОСОВЫЕ СИСТЕМЫ В КОСМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

1.1 Системы электроснабжения космических аппаратов

1.2 Энергетические установки космических аппаратов

1.3 Области рационального применения источников электроэнергии, используемых в космической энергетике

1.4 Исследование систем электроснабжения космических аппаратов

1.5 Концепция тросовых космических систем

1.6 Электродинамические тросовые системы с токопроводящим тросом

1.7 Особенности функционирования электродинамических тросовых систем

1.7.1 Проблема восстановления орбиты
1.7.2 Устройства контакта с плазмой
1.8 Анализ экспериментальных исследований электродинамических тросовых систем в режиме генератора электроэнергии
1.9 Выводы
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРОСОВОЙ СИСТЕМЫ
2.1. Математическая модель генерации Электроэнергии электродинамической тросовой системой
2.2. Показатели эффективности
2.3. Определение основных параметров движения объекта связки на орбите
2.3.1. Системы координат и связь между ними
2.4. Модель магнитного поля Земли
2.4.1. Модель прямого диполя
2.4.2. Модель косого диполя
2.5. Математическая модель движения тросовой системы
^ 2.5.1. Основные силы, действующие на электродинамическую тросовую систему
Гравитационные силы
Центробежные силы

Аэродинамические силы
Силы реакции троса
Электродинамические силы
Математическая модель абсолютного движения объектов связки
2.6 Выводы
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРОСОВЫХ СИСТЕМ
3.1 Исследование влияния параметров орбиты на получение энергии с помощью тросовых систем
Влияние высоты орбиты на энергетические характеристики
Влияние наклонения орбиты на энергетические характеристики
3.2 Исследование влияния длины троса на энергетические характеристики тросовых систем
* 3.3 Исследование зависимостей характеристик системы от диаметра троса
3.4 Изменения энергетических характеристик на витке орбиты
3.5 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Реализация математических моделей тросовой системы и объектов связки в пакете МаЛСАЭ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
На современных космических аппаратах (КА) системы электроснабжения (СЭС), с учетом требований более высокой надежности по сравнению с другими системами, могут составлять по массе до трети всего аппарата. Поэтому проблема создания СЭС имеет первостепенное значение, а ее разрешение может заметно улучшить технико-экономические показатели КА в целом.
К сожалению, за 40-летнюю историю космонавтики наука не предложила новых эффективных источников электроэнергии для космоса. По прежнему основными являются солнечные и аккумуляторные батареи. Поэтому создание и исследование альтернативных источников электроэнергии космического назначения является на сегодняшний день важнейшей задачей.
В последние годы проведен большой объем исследований по использованию на околоземных орбитах тросовых систем, представляющих систему космических объектов соединенных между собой гибкой связью. Космические тросовые системы - новое и очень перспективное направление развития космической энергетики. Большой интерес представляют тросовые системы с токопроводящим тросом, взаимодействующие с магнитным полем Земли (МПЗ) (электродинамические тросовые системы), которые могут быть использованы для превращения энергии орбитального движения в электрическую мощность. При движении троса, снабженного на концах устройствами контакта с плазмой, в магнитном поле Земли в нем будет индуцироваться ЭДС. Если между тросом и одним из устройств контакта с плазмой поместить электрическую нагрузку, то через нее будет протекать ток. Ток, протекающий по тросу должен замыкаться через ионосферную плазму. Сила, действующая на трос со стороны магнитного поля Земли, в этом случае будет тормозить движение КА.
Американскими и итальянскими учеными проведены теоретические и экспериментальные исследования, осуществлен запуск спутника ТББ-І в 1994 г., на
можность достаточно просто изменять направление тока в тросе-, переключаясь между режимами генерации и тяги [107].
С использованием численной методики было исследовано взаимодействие КА с плазмой окружающего пространства. Исследование показало, что установка полого катода позволяет избежать накопления значительного электрического заряда на КА [111]. В лабораторных условиях были проведены исследования эффективности функционирования полых катодов как плазменных контакторов. Полученные экспериментальные результаты подтверждают проведенные теоретические исследования и обосновывают применимость полых катодов для обеспечения стационарного протекания тока в системе коллектор - проводимый трос -эмиттер [90].
Если субспутник размещен на проводящем тросе и его потенциал поддерживается на уровне потенциала окружающей плазмы, то в тросе будет течь ток, наводимый плазмой. Трос является частью цепи, содержащей ионосферу в качестве возможного замыкающего звена. О существовании большого переноса заряда, часто называемого токами Биркеланда, которые по существу, замыкают цепь между ионосферными и магнитосферными токами, известно давно [45]. Обычные перемещения электронов в крупном масштабе происходят, как предполагается, под влиянием направления и величины магнитного поля. На высотах ниже 160 км движением ионов управляют нейтральные ветры, а воздействия на электроны не происходит. Выше 160 км влияние столкновений в нейтральном газе относительно несущественно, а магнитное поле управляет движением как ионов, так и электронов [25]. Суточные колебания концентрации заряженных частиц на высотах до 1000 км не имеют четкой зависимости от освещенности, а наиболее сильные электрические поля наблюдаются на высоких широтах [2].
Анодным контакторам требуется захватывать окружающие электроны и могут возникнуть серьезные трудности, когда плотность окружающей плазмы падает ниже 10" м'3. Плотность ионосферной плазмы слабо зависит от высоты, но сильно от солнечного освещения и на теневой стороне орбиты плотность плазмы