Funken-/Lichtbogenentfernung zwischen zwei Raumfahrzeugen?

In welcher Entfernung werden zwei Raumfahrzeuge in SSO funken/überschlagen? ZB wenn man gerade gestartet ist und schon lange dort ist (zB 10-20kV Worst-Case-Spannungsunterschied). Ich denke, Paschens Gesetz ist die richtige Gleichung, aber ich bin mir nicht sicher, wie ich damit in der Weltraumumgebung umgehen soll ...

Nebenbei vermute ich, dass das Aufladen nicht "lange" dauert, obwohl diese Meinung eher auf GEO-Erfahrungen der Zeit zwischen dem Einsetzen einer erhöhten Fluenz und einem ESD-Ereignis auf dem Satelliten basiert - 1 - 3 Tage. Ich habe von neueren Forschungsergebnissen gehört, die auch die langfristige Sicht unterstützen. Ich werde sehen, was ich finden kann. Differenzielles Laden auf einem einzelnen Satelliten kann durch Oberflächeneigenschaften und Sonneneinstrahlungs-/Schattenbedingungen gesteuert werden. Es scheint naheliegend, dies vor einem Andockmanöver zu überprüfen, also muss es Literatur geben. Ich würde auch mit dem Gesetz von Paschen beginnen. Gute Frage.
Wie würde ein Bogen entstehen? In einem typischen SSO gibt es kaum Gasmoleküle, und Raumfahrzeuge sollten normalerweise auch keine emittieren, afaik. Sie sollten auch keine Elektronen abgeben. Vielleicht, wenn sie ihre Triebwerke abfeuerten. Trotzdem kann ich mir Lichtbögen bei so moderaten Spannungen auf mehr als dem Submillimeter-Niveau nicht vorstellen.
Es gibt Plasma. Es wird angenommen, dass Plasmen Satellitenlichtbögen zwischen freiliegenden stromführenden Leitern unterstützen - ob dies jedoch das natürliche Plasma und nicht ein lokal vom Satelliten erzeugtes einschließt, ist eine andere Frage, und ob das Plasma, natürlich oder auf andere Weise, Entladungen zwischen Fahrzeugen unterstützen kann, ist der Punkt der Frage. In jedem Fall haben Sie einen guten Punkt gemacht - vielleicht ist das Paschensche Gesetz nicht der richtige Ausgangspunkt, wenn es auf eine neutrale Atmosphäre beschränkt ist. Allerdings werden neu gestartete Satelliten für eine Weile ausgasen.
@Rikki-Tikki-Tavi Weiter mein letzter, du hast Recht: - "... Paschens Gesetz ist nicht gültig, wenn externe Elektronenquellen vorhanden sind" entnommen aus en.wikipedia.org/wiki/…
@Rikki-Tikki-Tavi - Selbstzündung ist ein großes Problem bei Raumfahrzeugen, insbesondere in Zeiten, in denen sich ein Raumfahrzeug im Schatten der Erde befindet (dh keine Photoelektronen emittiert werden) und zu schweren Schäden am Körper und an den Instrumenten führen kann der Bus. Im Allgemeinen enthalten Konstruktionen Materialien mit relativ hoher Leitfähigkeit an den exponierten Teilen des Weltraumfahrzeugs, um diesen Effekt zu minimieren. Die konkurrierenden Interessen werden dann zwischen wie viel Leitfähigkeit vs. wie viel Geld man ausgeben möchte ...
@astrocurious - Im Allgemeinen tritt Lichtbogenbildung an "scharfen" Kanten eines Raumfahrzeugs auf, das nicht gut mit sich selbst geerdet ist und dem Weltraum ausgesetzte Substanzen mit geringer Leitfähigkeit aufweist. Allerdings laden sich selbst die schlecht konstruierten Raumfahrzeuge selten auf mehr als ein paar kV auf, daher bin ich mir nicht sicher, ob es möglich ist, auf 10-20 kV zu kommen, ohne dass etwas sehr Extremes passiert.
@honeste-vivere Nebenbei, welche Rolle spielen scharfe Kanten? Ich verstehe die photoelektrische Seite, die Notwendigkeit, die Satellitenhaut und jedes elektrisch isolierte Metall usw. zu erden, bin nur nicht wirklich auf dem Laufenden, was Formprobleme betrifft.

Antworten (2)

Ich kann Ihnen keine genauen Zahlen nennen, aber bei Bestellungen von 10 kV ist dies ein Abstand von weniger als einem Millimeter.

Der Mechanismus der Lichtbogenbildung im Vakuum unterscheidet sich erheblich von dem in Luft. Während in der Luft die angeregten Luftteilchen zum Plasma werden und beginnen, Elektrizität zu leiten, gibt es im Vakuum kein solches Medium. Es gibt Feldelektronenemission , besonders von allen scharfen Punkten; entweder in den leeren Raum oder zu einem positiv geladenen Ziel (dem anderen Raumschiff). Diese Emission muss nun eine solche Intensität erreichen, dass die Elektrode aufgeheizt wird, bis ihr eigenes verdampfendes Material in den Weltraum emittiert wird und von den Elektronen getragen das Target erreicht – eine Plasmabrücke entsteht. Nur dann kann es zu einer Lichtbogenbildung kommen, da dadurch mehr Elektrodenmaterial angeregt wird, wodurch mehr lichtbogenerhaltendes Plasma erzeugt wird.

Dies hängt weitgehend von der Fähigkeit ab, genügend Elektronen in einem Bereich zu emittieren, der klein genug ist, damit der Strom die Elektrodenoberfläche verdampft. Und hier beginnen die eigentlichen Berechnungsprobleme: Wie hoch ist die Verdampfungstemperatur des Materials? Was ist sein Widerstand - entsprechend der Leistung des abgegebenen Stroms. Was ist seine Form? Scharfe Klingen erzeugen eine viel höhere Feldemission als flache Oberflächen. Wie schnell und wie weit wird das emittierte Material fliegen, bevor es so weit abkühlt, dass es widerstandsfähig wird? Es hört auf, ein elektrisches Problem zu sein, und wird zu einem Problem der Berechnung des Verhaltens der Produktionsmechanik und der Bewegung des verdampften Metallplasmas im Vakuum.

Bearbeiten: Wikipedia gibt :

Hochvakuum (feldemissionsbegrenzt) 20 - 40 MV/m (abhängig von der Elektrodenform)

also 20-40kV/mm.

Danke, ich hatte Feldemission vorher nicht wirklich verstanden. Dies scheint mit der Vorstellung übereinzustimmen, dass die Lichtbogenbildung aufgrund von Feldemission verschlimmert werden könnte, a) wenn Teile des Satelliten (der Satelliten) bereits auf einige tausend Volt durch den einfallenden Partikelfluss oder die photoelektrische Emission aufgeladen wären oder b) wenn dies der Fall wäre eher ein Plasma als ein Vakuum, das den Satelliten umgibt. Würde nicht gerade letzteres es ermöglichen, größere Lücken in einem Bogen zu überbrücken?
@Puffin: keine Quellen dahinter, aber aus der Vermutung meines "Ingenieurs": a) Statische Elektrizität kann massive Spannungen führen, hat aber selten eine signifikante Stromstärke. Wenn es eine scharfe Spitze so sehr überhitzen kann, dass sie nicht nur anfängt zu glühen, sondern zu verdampfen, verliert sie sehr schnell die Ladung. b) Wie würde dieses Plasma dorthin gelangen? Obere Atmosphäre abschöpfen? Koronarer Massenauswurf? Dies ist der Weltraum, jegliche Plasmakondensation sollte sehr schnell verdunsten.
@Puffin ... obwohl zu: a): Wenn ein Fahrzeug eine ziemlich neutrale Ladung und das andere eine positive hat, kann es zu einer Entladung kommen. Feldelektronenemission ist der einfache Mechanismus, um überschüssige negative Ladung loszuwerden. Ich bin mir jedoch nicht ganz sicher, wie ich die positive Ladung im Vakuum entfernen soll, daher könnte sie viel langlebiger sein als die negative.
Für meinen Punkt (b) gibt es in einigen Regionen der Erdumlaufbahn ein permanentes Plasma. Dies umfasst die Ionosphäre in niedrigen Höhen, wie sie von der ISS verwendet wird und die meines Wissens eine relativ geringe Dichte hat, und die Van-Allen-Gürtel, die für höhere LEO-Missionen wie Globalstar, die verschiedenen Navigationsflotten in MEO und alle GEO-Satelliten anwendbar sind.
Bei GEO können die Gürtel durch solare Partikelereignisse bewegt werden, die das Energiespektrum der eingefangenen (Gürtel-)Partikel verändern. Es ist mir neu, dass Feldelektronenemission ein signifikantes Mittel zum Verlust negativer Ladung sein könnte, bis jetzt hatte ich verstanden, dass der photoelektrische Effekt in allen Höhen der dominierende Prozess war, außer natürlich bei Sonnenfinsternis. Es ist bekannt, dass der Übergang von der Sonnenfinsternis zum Sonnenlicht ESD-Anomalien auslöst.

Es wird von der Orbitalregion abhängen und daher ist dies eine Teilantwort, die sich speziell auf die ISS bezieht.

[Die Raumfahrtumgebung: die Internationale Raumstation und darüber hinaus] 1 liefert diese Beschreibung:

Ionosphärisches Plasma

Raumfahrzeuge in niedriger Umlaufbahn um die Erde haben eine komplexe Wechselwirkung mit ionosphärischem Plasma. Die Solaranlagen auf der Internationalen Raumstation arbeiten mit 160 V und das Verteilungssystem mit 120 V Gleichstrom. Die negative Seite des Stromversorgungssystems ist an der Struktur der Raumstation geerdet, was dazu führt, dass eine große Menge an Energie bei –140 V in der Struktur gespeichert wird. Hochspannungs-Solaranlagen können in Verbindung mit dem Design und den Materialeigenschaften der Internationalen Raumstation zu schädlichen Wechselwirkungen mit dem ionosphärischen Plasma führen.

Zwei Plasmaschützeinheiten wurden auf der Internationalen Raumstation platziert, um einen „Erdungsdraht“ bereitzustellen, um eine Lichtbogenentladung zu verhindern. Diese Geräte geben bei Weltraumspaziergängen einen niederenergetischen Elektronenstrom ab, der den Aufbau elektrischer Ladung reduziert.[13] Solange die Plasmaschützeinheiten funktionsfähig sind, besteht für einen frei schwebenden Astronauten während eines Weltraumspaziergangs kein Risiko, Lichtbögen ausgesetzt zu werden. Die Stahlseile, die Astronauten verwenden, um sich an der Struktur der Raumstation zu befestigen, und die freiliegenden metallischen Oberflächen des Raumanzugs oder der Werkzeuge, die während des Weltraumspaziergangs verwendet werden, sind jedoch potenzielle Quellen für Lichtbögen, wenn beide Plasmaschützeinheiten während eines Weltraumspaziergangs ausfallen sollten .

Bitte beachten Sie für die vollständige Nennung, dass sich die Referenz "[13]" im Zitat auf dieses Buch bezieht:

Tribble AC. Die Weltraumumgebung und ihre Auswirkungen auf das Design von Raumfahrzeugen. 31. American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), Aerospace Sciences Meeting and Exhibit; 1993 11.–14. Januar; Reno (NV). Webster (TX): Amerikanisches Institut für Luft- und Raumfahrt; 1993. p. 491.

Um die Frage zu beantworten : Es ist nicht klar, auf welche Entfernung hier geschlossen werden kann. Das Risiko von Metallhandwerkzeugen scheint darin zu bestehen, dass, wenn sie in elektrischer Hinsicht "schwebend" bleiben, an einem bestimmten Punkt ihres eigenen Ladungsaufbaus ein Entladungsereignis isolierende Materialien wie in einem Raumanzug überbrücken kann. Es scheint vernünftig, dass ein Lichtbogen auch entstehen könnte, wenn ein solches Werkzeug in die Nähe der Raumstation zurückgebracht wird.

Es ist nicht klar, welche Rolle die Stahlseile spielen würden. Oberflächlich betrachtet scheint es eine gute Gelegenheit zu sein, die Risiken zu reduzieren, wenn jedes lose Teil wieder mit der 0-Volt-Referenz der Raumstation verbunden werden könnte, aber es scheint, dass in diesem Zusammenhang eine andere Designphilosophie gilt.

Um mehr über die Entfernungsantwort zu erfahren, würde ich vorschlagen, als nächsten Halt mehr über den Zweck und das Design der Plasma-Schützeinheit zu lesen.

Funken-/Lichtbogenentfernung zwischen zwei Raumfahrzeugen?
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