Cosmic ResearchCosmic ResearchКосмические исследования0023-42063034-5502The Russian Academy of Sciences67251210.31857/S0023420624010074ArticlesСтатьиResearch ArticleМатематическое моделирование электризации космических аппаратов в магнитосферной плазмеМатематическое моделирование электризации космических аппаратов в магнитосферной плазмеНовиковЛ. С.
Russian Federation
novikov@sinp.msu.ruМаклецовА. А.
Russian Federation
novikov@sinp.msu.ruСинолицВ. В.
Russian Federation
novikov@sinp.msu.ruЧирскаяН. П.
Russian Federation
novikov@sinp.msu.ruНаучно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ им. М. В. Ломоносова27062024621778827022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0023-4206/article/view/672512

Описан программный комплекс Coulomb, предназначенный для моделирования электризации космических аппаратов (КА) в магнитосферной плазме на высоких и низких околоземных орбитах. Рассмотрены физические механизмы электризации КА и методы математического моделирования этого явления в разных областях космического пространства. Приведены примеры результатов расчета распределения электрического потенциала на поверхности и в окрестности КА для геостационарной орбиты и низких околоземных орбит.

Описан программный комплекс Coulomb, предназначенный для моделирования электризации космических аппаратов (КА) в магнитосферной плазме на высоких и низких околоземных орбитах. Рассмотрены физические механизмы электризации КА и методы математического моделирования этого явления в разных областях космического пространства. Приведены примеры результатов расчета распределения электрического потенциала на поверхности и в окрестности КА для геостационарной орбиты и низких околоземных орбит.

Альперт Я. Л., Гуревич А. В., Питаевский Л. П. Искусственные спутники в разреженной плазме. М.: Наука, 1964.Katz I., Parks D. E., Mandell M. J. et al. A three dimensional dynamic study of electrostatic charging in materials. NASA-CR-135256. National Technical Information Service, 1977.Roussel J.-F., Rogier F., Volpert D. et al. Spacecraft Plasma Interaction Software (SPIS): numerical solvers – methods and architecture // Proc. of 9th Spacecraft Charging Technology Conf. Tsukuba, Japan. 2005. Art. ID. JAXA-SP-05–001E.Hatta S., Muranaka T., Kim J. et al. Accomplishment of multi-utility spacecraft charging analysis tool (MUSCAT) and its future evolution // Acta Astronautica. 2009. V. 64. P. 495–500. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2008.07.023Программа расчета параметров электризации космического аппарата COULOMB: св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2015615756. М., 2015.Novikov L. S., Makletsov A. A., Sinolits V. V. Comparison of Coulomb-2, NASCAP-2K, MUSCAT and SPIS codes for geosynchronous spacecraft charging // Adv. Sp. Research. 2016. V. 57. Iss. 2. P. 671– 680. https://doi.org/10.1016/j.asr.2015.11.003Space environment (natural and artificial) – Plasma environments for generation of worst case electrical potential differences for spacecraft. ISO 19923:2017. International Organization for Standardization (ISO), 2017.Novikov L. S., Mileev V. N., Krupnikov K. K. et al. Simultaneous investigation of magnetospheric plasma and spacecraft charging // Advances in Space Research. 2008. V. 42. Iss. 7. P. 1307–1312. https://doi.org/10.1016/j.asr.2008.02.019Novikov L. S., Makletsov A. A., Sinolits V. V. et al. Charging of Geostationary Satellite Electro-L2 in the Earth Shadow // IEEE Transactions on Plasma Science. 2019. V. 47. Iss. 8. P. 3931–3936. https://doi.org/10.1109/TPS.2019.2917806Милеев В. Н., Новиков Л. С. Физико-математическая модель электризации ИСЗ на геостационарной и высокоэллиптических орбитах // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Вып. 86. М.: Наука, 1989. С. 64–98.Новиков Л. С., Бабкин Г. В., Морозов Е. П. и др. Комплексная методология определения параметров электростатической зарядки электрических полей и пробоев на космических аппаратах в условиях их радиационной электризации. М.: Изд. ЦНИИмаш, 1995. 160 с.Garrett H. B. The charging of spacecraft surfa-ces // Rev. Geophys. and Space Physics. 1981. V. 19. Iss 4. P. 577–616. https://doi.org/10.1029/RG019i004p00577Garret H. B. Review of quantitative models of the 0- to 100keV near Earth plasma // Rev. Geophys. and Space Physics. 1979. V. 17. Iss. 3. P. 397–417. https://doi.org/10.1029/RG017i003p00397Garret H. B., Schwank D. C., De Forest S. E. A statistical analysis of the low-energy geosynchronous plasma environment – I. Electrons // Planetary and Space Science. 1981. V. 29. Iss. 10. P. 1021–1044. https://doi.org/10.1016/0032-0633(81)90001-5Модель космоса. Т. 2. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов / под ред. Л. С. Новикова. М.: Изд-во «КДУ», 2007. Гл. 1.8. Электризация космических аппаратов в магнитосферной плазме. С. 236–275; Гл. 1.9. Математическое моделирование электризации космических аппаратов. С. 276–314.Katz I., Parks D. E. Space Shuttle Orbiter Charging // J. Spacecrafts and Rockets. 1983. V. 20. Iss. 1. P. 22–25. https://doi.org/10.2514/3.28352Cho M., Saito K., Hamanaga T. Data analysis of the polar plasma environment for spacecraft charging analysis // Acta Astronautica. 2012. V. 81. Iss. 1. P. 160–173. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2012.07.004Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В. Эмиссионная электроника. М.: Наука, 1966.Бронштейн И. М., Фрайман Б. С. Вторичная электронная эмиссия. М.: Наука, 1969.Sternglass E. J. Backscattering of kilovolt electrons from solids // Phys. Rev. 1954. V. 95. Iss. 2. P. 345– 358. https://doi.org/10.1103/PhysRev.95.345Whipple E. C. Potentials of surface in space // Rep. Prog. Phys. 1981. V. 44. Iss. 11. P. 1197–1250. https://doi.org/10.1088/0034-4885/44/11/002Евстафьева Е. Н., Рау Э. И., Милеев В. Н. и др. Анализ механизмов зарядки диэлектрических мишеней под воздействием электронного облучения // Перспективные материалы. 2010. № 4. С. 11–20.Novikov L. S., Makletsov A. A., Sinolits V. V. Analysis of Recollection and Transfer of Electrons Emitted from Charged Spacecraft Surface Using Coulomb-2 Code // IEEE Transactions on Plasma Science. 2017. V. 45. Iss. 8. P. 1919–1922. https://doi.org/10.1109/TPS.2017.2669103Adamec V., Calderwood J. H. Electrical conduction in dielectrics at high fields // J. Phys. D: Appl. Phys. 1975. V. 8. Iss. 5. P. 551–560. https://doi.org/10.1088/0022-3727/8/5/015Krupnikov K. K., Mileev V. N., Novikov L. S. A Mathematical Model of Spacecraft Charging (‘COULOMB’ Tool) // Rad. Measur. 1996. V. 26. Iss. 3. P. 513–516. https://doi.org/10.1016/1350-4487(96)00022-4Krupnikov K. K., Mileev V. N., Novikov L. S. et al. Measurement of hot magnetospheric plasma at geosynchronous orbit and charging effects // Proc. ESA Symp. Environment Modelling for Space-based Applications. ESTEC. Noordwijk, NL. Special Publ. 392. 1996. P. 191–196.Ribes A., Caremoli C. SALOME platform component model for numerical simulation // Proc. the 31st Annual International Computer Software and Applications Conference COMPSAC07. Washington. DC. USA. 2007. P. 553–564. https://doi.org/10.1109/COMPSAC.2007.185Moré J. J., Sorensen D. C., Hillstrom K. E. et al. The MINPACK Project // Sources and Development of Mathematical Software. New Jersey: Prentice-Hall, 1984. P. 88–111.Novikov L. S., Makletsov A. A., Sinolits V. V. Modeling of Spacecraft Charging Dynamics Using COULOMB-2 Code // IEEE Transactions on Plasma Science. 2017. V. 45. Iss. 8. P. 915–1918. https://doi.org/10.1109/TPS.2017.2720595Hindmarsh A. C. GEAR: Ordinary Differential Equation System Solver // Lawrence Livermore Laboratory Report UCID-30001. 1974. Rev. 3. P. 1–28.Ferguson D. C., Wimberly S. C. The Best GEO Daytime Spacecraft Charging Index // Proc. 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Grapevine, 2013. AIAA 2013–0810. P. 11–17. https://doi.org/10.2514/6.2013-810Matéo-Vélez J.-C., Pignal C., Balcon N. et al. GEO Spacecraft Worst-Case Charging Estimation by Numerical Simulation // Proc. 13th Spacecraft Charging Technology Conference. Pasadena. USA. 2014. Art.ID hal-01070320.Toyoda K., Ferguson D. C. Round-Robin Simulation for GEO Worst-Case Environment for Spacecraft Charging // Proc. 13th Spacecraft Charging Technology Conference. Pasadena, USA. 2014. Art. ID. 171.