Wie messen Raumfahrzeuge ihre eigene Ladung?

Die ISS misst ihre Ladung mit der Floating Potential Measurement Unit. Dieses Gerät funktioniert wie folgt (aus der Datenanalyse der Floating Potential Measurement Unit an Bord der Internationalen Raumstation ):

Die Floating Potential Measurement Unit (FPMU) wurde vom Space Dynamics Laboratory (USU-SDL) der Utah State University entwickelt, um die Oberflächenladung der Internationalen Raumstation (ISS) zu untersuchen. Das Aufladen der Oberfläche der ISS ist aufgrund ihrer Größe, ihrer Vielfalt an leitfähigen/dielektrischen Bereichen und den exponierten Kanten der Solarzellen auf ihren Hochspannungs-Solarfeldern ein komplexes Problem. Eine starke Aufladung der ISS ist nicht nur eine Gefahr für Astronauten bei Aktivitäten außerhalb des Fahrzeugs, sondern jeder resultierende Oberflächenlichtbogen kann zu Funktionsanomalien und Oberflächenverschlechterung auf der ISS führen. Daher wurde die FPMU unter intensiven Oversite- und Berichterstattungsanforderungen entwickelt, da sie als kritisch für den ISS-Sicherheitsbetrieb erachtet wurde.

Obwohl der primäre Zweck der FPMU bleibt, die Ladungsniveaus der ISS zu überwachen und einen Datensatz bereitzustellen, der zur Validierung der ISS-Lademodelle 2 verwendet werden kann, ist ein sekundärer Zweck die Messung der Elektronendichte und Temperatur innerhalb der F-Region der Ionosphäre um zu verstehen, warum die ISS auflädt. Leider wird die FPMU nicht durchgehend betrieben. Es wird durch Bodenkommandos aktiviert und Daten werden nur für bestimmte Datenkampagnendauern aufgezeichnet. Somit ist es im Wesentlichen ein „Schnappschuss“-Instrument für ionosphärische Dichte- und Temperaturmessungen.

Im Rest dieses Abschnitts wird ein kurzer Überblick über die FPMU-Instrumentensuite gegeben. Der nächste Abschnitt stellt die Qualität der erfassten Daten und die Schritte zur Kompensation von Rauschen und Fehlern vor. Darauf folgen Beschreibungen der Datenverarbeitungsalgorithmen, um die erfassten Daten auf Plasmaparameter wie Elektronen- und Ionendichte (ne und ni) und Elektronentemperatur (T e ) zu reduzieren. Wir schließen das Papier mit einer Diskussion und einem Vergleich zwischen den von der FPMU abgeleiteten Plasmaparametern und denen, die aus dem International Reference Ionosphere (IRI)-Modell und dem Modell der Utah State University – Global Assimilation of Ionospheric Measurements (USU-GAIM) abgeleitet wurden.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist die FPMU eine Instrumentensuite, die aus vier separaten Instrumenten besteht [2–4]. Drei der Instrumente basieren auf Langmuir-Sonden oder elektrischen Gleichstromeigenschaften, während ein viertes Instrument auf den Hochfrequenz(HF)-Eigenschaften der Sonde basiert.

Die Floating Potential Probe (FPP) ist eine vergoldete Kugel mit einem Radius von 5,08 cm. Die Kugel ist durch einen hochohmigen Schaltkreis > 10" Ohm von der Gehäusemasse isoliert. Der FPP misst das schwebende ISS-Potenzial (φ fISS ) an der FPMU-Position innerhalb eines Bereichs von -180 bis +180 V bei 128 Hz. Der Wide- Sweeping Langmuir Probe (WLP) ist ebenfalls eine vergoldete Kugel mit einem Radius von 5,08 cm und wird mit einer Dreieckswelle von -20 bis +80 V relativ zur Gehäusemasse (dh der ISS-Struktur) in 2048 Spannungsschritten gewobbelt gefolgt von einem Abwärts-Sweep mit gleicher Amplitude und Abtastlänge.Der aus dem angelegten Spannungs-Sweep resultierende Strom wird auf zwei verschiedenen12-Bit-Kanälen gemessen: dem Low-Gain-Kanal und dem High-Gain-Kanal.Der WLP-Kanal mit niedriger Verstärkung hat eine Auflösung von 700 nA und der Kanal mit hoher Verstärkung eine Auflösung von 3,5 nA pro ADC-Zählung. Somit hat der Kanal mit hoher Verstärkung eine ausreichende Empfindlichkeit, um sowohl Photoemissions- als auch Ionensammelströme zu beobachten, und der Kanal mit niedriger Verstärkung ist für die Beobachtung thermischer Elektronenströme optimiert. Die Narrow-Sweeping Langmuir Probe (NLP) ist ein vergoldeter Zylinder mit einem Radius von 1,43 cm und einer Länge von 5,08 cm. Das NLP wird in der Mitte des Auslegers platziert, der das FPP trägt, und wird auf jeder Seite durch vergoldete Zylinder mit einem Radius von 1,43 cm und einer Länge von 10,2 cm geschützt, die synchron mit dem NLP gekehrt werden. Ein Sweep von -4,9 bis +4,9 V in 512 gleichen Schritten wird während einer Sekunde auf das NLP angewendet, gefolgt von einem Sweep von +4,9 auf -4,9 V in der nächsten Sekunde. Diese Wobbelspannung wird auf das Floating-Potential bezogen, wie es vom FPP gemessen wird. Somit sollte selbst dieser kleine Sweep-Bereich den Bereich der Elektronenverzögerung und einen gewissen Bereich der Elektronensättigung abdecken. ermöglicht die Bestimmung von ne und Te bei 1 Hz. Der resultierende Strom wird wiederum auf zwei Kanälen mit unterschiedlichen Verstärkungen gemessen. Der NLP-Kanal mit niedriger Verstärkung hat eine Auflösung von 175 nA und der Kanal mit hoher Verstärkung eine Auflösung von 0,88 nA pro ADC-Zählung. Die bodengestützte Laborkalibrierung des Instruments zeigte, dass das WLP- und NLP-Instrumentenrauschen auf reine Quantisierungsfehler beschränkt war.

Die Plasmaimpedanzsonde (PIP) besteht aus einer elektrisch kurzen Dipolantenne, die elektrisch von der ISS isoliert ist. Es wird in zwei verschiedenen Modi betrieben. Im Plasma Sweeping Probe (PSP)-Modus misst das Instrument die elektrische Impedanz (Größe und Phase) der Antenne bei 256 Frequenzen über einen Bereich von 100 KHz bis 20 MHz. Im Plasma Frequency Probe (PFP)-Modus verfolgt die Antenne die Frequenz, bei der eine der oberen Hybridfrequenz zugeordnete elektrische Resonanz auftritt.

Um jegliche Interferenz zwischen einzelnen Instrumenten zu minimieren, wurden die Sondenoberflächen für ein verdünntes und kaltes ionosphärisches Plasma im ungünstigsten Fall um mindestens zwei Debye-Längen voneinander entfernt angeordnet. Der Abstand von Spitze zu Spitze vom WLP zum PIP beträgt 130 cm und das gesamte Instrument ist etwa 150 cm hoch. Die FPMU ist über das Video Distribution System (VDS) mit der ISS verbunden, ähnlich einer externen TV-Kameragruppe auf der ISS. Somit bilden die strukturellen, elektrischen und Kommunikationsschnittstellen der FPMU mit der ISS im Wesentlichen eine externe Videokamera nach.

Die FPMU wurde mit STS-121 zur ISS transportiert und am 3. August 2006 auf dem Steuerbordträger (S1) der ISS eingesetzt.

Sie können eine direkte Annäherung an die Messungen verwenden. Als Vorzeichen können Sie messen, ob Elektronen vom Fahrzeug angezogen oder abgestoßen werden - oder Ionen abgestoßen oder angezogen werden.

Als Feldstärke kann man die Beschleunigung von Elektronen oder Ionen messen. Oder messen Sie die Energie, die sie haben, nachdem sie eine bekannte Distanz überquert haben. Beobachten Sie zum Beispiel, wie viel Licht sie erzeugen, wenn sie auf etwas treffen, oder durch ein Abschirmgitter mit elektrischem Potenzial gelangen. Oder messen Sie für die Beschleunigung, wie lange es dauert, bis sie eine bekannte Distanz zurückgelegt haben.

Für die Gesamtladung benötigen Sie einen Prozess, keine einfache Messung. Da Raumfahrzeuge nicht alle leitend sind und spitze Teile wie Antennen haben, ist die Ladungsverteilung nicht gleichmäßig und das elektrische Feld auch nicht. Sie können Messungen auf einer imaginären Oberfläche vornehmen, die das Fahrzeug umschließt, und eine empirische Formel zur Berechnung der Ladung entwickeln, die auf der Messung des elektrischen Felds an einem vereinbarten Punkt basiert.

Diese Methoden sind keine absoluten Messungen, wenn Sie sich in einem Ladungsmeer befinden, wie dem Sonnenwind, nachdem Ladungen durch das Erdmagnetfeld getrennt wurden.