Исследование плазменных процессов в ближней зоне космического аппарата при инжекции электронов тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

российская академия наук

Институт космических исследований

На правах рукописи

ГАГУА Теймураз Ираклиевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ПРИ КНЖЕКЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ

С01.03.03 - гелиофизика и физика Солнечной системы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Инотитуте космических исследований российской Академии наук

Официальные, оппоненты:, доктор физико-математичеоких

наук Рухадзе Анри Аыбраоввйч (физический институт РАН); кандидат физико-математических наук Безруких Владилен Владимир вич (Институт космических исоле дований РАН).

Ведущая организация: Нйучно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики.

Защита состоится "5й — 1992 г. в

чаоов на заоедании Специализированного ученого совета KQ02.94.0I в Институте космических исследований РАН в конференц-зале Института по адресу: г. Москва, Профсоюзная ул., 84/32, подъезд 4.

С! диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института космических исследований РАН.

Автореферат разослан " "---------- 1992 г.

Ученый секретарь Специализированно го совета К002.94.0Г,

кандидат физико-математических наук

I "I-

ГА ол !РТ5ЦИЙ

I- ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА". РАБОТЫ

Атуадьноеть темы. В настоящее время широкое распространение попучили методы исследования околоземного космического пространства, связанные о искусственным воздействием на зкружающую среду - активные эксперименты в коомосе. В экспериментах этого класоа о бортов космических аппаратов (КА) производятся иокусотвенные дозированные воздействия на ионосферу и магнитосферу земли о пЬыощью пучков, плазмы, радиоволн а. изучаетоя отклик на них. Это позволяет более глубоко изучить картину происходящих геофизических процессов, а э ряде олучаев моделировать некоторые явления, имеющие место в аагнитоофере Зеыла.

В выполненных к настоящему времени в СССР в за рубежом активных.экспериментах в качестве искусственного воздействия а большинство олучаев использовалиоь инжекциа электронных зучков. В этих экспериментах, в частности, генерировались зскуоственные полярные сияния и стимулированные высыпания электронов из радиационных поясов. Это позволило глубже изучить природные аналоги исследуемых.процессов.

Так кза. вэучззиао гмгпятосфзраиз процесса по сута своей являются плазменными, то активные методы исследования пред-¡тавлявт собой реализации целенаправленных.плаэкюнвнх экспериментов в ноомоое. В этом плане космическое пространство о неограниченным широгно-высотно-временныа разнообразием условий представляет уникальную возможность изучения множества гаких яв пенса, вооаоздазие которых в условиях лаборатории фактически невозможно. Тан-, например« в коомосе впервые, был

-г -

подучен и. исследован крупномасштабный плазменно-пучковнй разряд с характерным размером в несколько десятков метров.

Одна из наиболее важных задач экспериментов этого класса связана с изучением плазменных процессов, происходящих в ближней зоне расположения средства воздействия,с целью определения реальной дозы искусственного воздействия. Необходимость изучения этой проблемы наиболее ярко видна в экспериментах с инжекцией электронных пучков, когда КА заряжается положительно и происходит торможение инжектируемых электронов что приводит к существенному уменьшению величин воздействия. Решение таких вопросов, как измерение потенциала КА, изучение возможности нейтрализации заряда КА ионосферном плазмой и др имеет первостепенное значение для экспериментов этого класса.

Цель работы. Целью данной работы является исследование процессов нейтрализации заряда КА при инжекиии электронных пучков: в частности,Исследование процессов нейтрализации в условиях, когда взаимодействия заряженных частиц с нейтралаМи вблизи КА играют существенную роль ; исследование нейтра-\

лизации, когда характерные размеры экранирования заряда КА вс много раз меньше длины взаимодействия заряженных частиц с нейтралами в ролью последних практически можно пренебречь.

Основные результаты работы и их новизна. С целью исследования процессов, происходящих в зоне инжектора пучка, были разработаны специальные зондовыа приборы. Новая модификация датчика "Пеленг", состоящего из двойного зонда и плавающего электрода, позволяла проводить локальные измерения параметров плазмы и падения потенциала КА.

Результаты измерения, которые анализируются в диссерга-

ции, быей получены в двух ракетных экспериментах: "Стерео-топ" и "Грузия-60-СПУРТ" (Г60С). В этих.экспериментах в той иди иной степени били реализованы новаторские элементы, которые кратко можно сформулировать следующим образом:

- в эксперименте "Сгереогоп" с ракеты МР-12 производилась инжвкция электронов,как при совместном полете головной части

п двигателя, так и после их разделения;

- второй эксперимент, с инхекцией электронов Т60С, был реализован с помощью ракеты "Вертикаль". Это позволило значительно увеличить диапазон высот проведения эксперимента н ио-оледолать различные эффекты па фоне изменения параметров внешен среды на несколько порядков величин.

В связи с этим большая часть представленных п работе результатов являются новыми. В частности,, к таким результатам мокно откеоти: '

- прямое доказательство существенной роли продуктов остаточного газоотдепения от двигателя, в процесоах. нейтрализации заряда ракеты ;

- наблюдения зажиганий разрядов: плазменно-пучкового а в окрещенных долях па различных высотах, в моменты впжекции элзктроиов;

- обнаружение большой возмущенной области вокруг ракеты о поперечным (относительно геомагнитного поля.) размером

ки;

г получение в оксдарвмептв " Г60С зависимостей, /работа области' экранирования заряда аппарата от значения потенциала ; потенциала КА от расстояния ; значения потенциала от тока инжвкции ;

- обнаружение зависимости величины потенциала выоотного зонда от. направлений полета я инжекции.

Наиболее неожиданным и новым явилась зарядка высотного зонда при определенных условиях инжекции до значений потенциалов, превышающих ускоряющее напряжение электронов.

Научное и прикладное значение работы. Полученные резуль таты позволяют изучить плазменные процессы, происходящие в зоне инжектора пучка. Учет этих процессов необходим для правильной постановки и трактовки данных активных геофизических и плазменных экспериментов.

Результаты оптических наблюдений в моменты инжекции электронов с борта КЛ, связанные со свечением ионосферы,были объяснены коллективными процессами при взаимодействии ускоренных от ракеты ионов с ионосферой. Последнее представляет интерес для создания в ионосфере источника генерации низкочастотных колебаний и изучения процессов их распространения и взаимодействия с различными областями ионосферы и магнитосферы.

Данные, полученные зондовыми измерениями вблизи заряженного корпуса ракеты,существенно проясняют основные вопросы процессов нейтрализации заряда КА. Полученные впервые вольт-амперная характеристика, пространственное распределение потенциала, а также зависимости размеров экранирующей области от потенциала могут быть использованы для решения и прикладных задач, связанных с исследованиями накопления и нейтрализации заряда высокоапогейных ИСЗ.

Прикладное значение представленных результатов заключа-чается также в разработке методики и аппаратуры для зондовы)

измерений в условиях активных экспериментов. Приборы били использованы в экспериментах серии "Аэлита" и "Плазма", проведенных ИПГ на НИС "Профессор Зубов" и могут найти дальнейшее применение и планируемых экспериментах.

П. СТРУЮ УРА И С0ДЕР1АНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Структура в объем работы. Двосертапия состоит из введения, трех глаз, заключения в описка цитируемой литературы, изложена на 150 страницах машинописного текста и содержат рисунки. Библаография состоит из 99 названий.

Во введении.обосновывается актуальность а научная новизна работы, сформулированы ее: цель, рассматриваемые задачи, оаасаиы основные результаты, выносимые на защиту, и нх практическая-значииооть, а такие дано представление о содержании дясовртации.

2_первой_£лаво опасапц методика а диагностические приборы для исследования плазмы в активных экспериментах. Показано, что для понимания процессов? происходящих в ближней зоне КА, о которого производится искусственное возмущение окружающей ореды, важное значение приобретают результаты зондовых измерений. В овяза о этим.анализируются возможности применения некоторых, зондовых методик в уоло.виях активных'экспери-центов. Приводятся также опиоания зондовой аппаратуры,, кото-рал использовапаоь в экспериментах авнжарцаей плазменных, отруй ("Аэяита-Г" и "Аэлнга-2")} и электронных пучков ("Стерео-соп" в: "ГрузЕЛ-60ЧЗПУРГ").

В частности, для измерения плотности ■ п0 и температуры

электронов .. Те искусственно образованной плазмы были разработаны бортовые приборы серии "Пеленг", представляющие собой двойные плавающие зонды Денгмюра. Применение этой методики дает всзмокность проводить измерения независимо от: значения потенциала КА.

Обработка ВАХ двойного зонда, осуществляемая на ЭВМ с помощью программы N О , позволяла определять значения п0 г Те. только по ¡шум точкам характеристики с погрешностью не более. 3$ .

С целью измерения величины потенциала КА и ее пространственного распределения предлагается использование набора плавающих зондов, выносимых аа различные расстояния от поверхности аппарата.

Критерии выбора основных конструктивных характеристик плавающих зондов аналогичны тем, которыз иопользуются при разработке этих датчиков для измерения собственных ионосферных злекгрвчасдих. полей. Однако специфические условия, реализуемые, в активных экспериментах, требуют по-новому оценивать методическую погрешность в измерении потенциала КА. Как показано, определение погрешности усложняется в тех случаях, яогда зонды находятся внутри дебаевской зоны КА, т.е. в области объемного заряда. Это связано со сложностью измерения спектральных характеристик частиц, набегающих на зонды. В работе для оценки максимальной, погрешности измерения рассматривается модель дебаевской зоны с предельными (неблагоприятными) характеристиками:, а) падение потенциала происходит как (Д/К в б) энергии электронов в кавдой точке пространства (внутри зоны) определяются как Е = 6 • ^а. » где ^сГП0~

тенциал КА в данной точке. После простых расчетов получено выражение для определения относительной ошибки в'измерении погенп.пала

где Е0 - радиус КА. Отсюда следует,, что в приборе "Пеленг-ШГ, я котором зопд выносится на ~ 4,5.1?0 , ошибка в измерения не превышала 3$ .

С целью определения погрешности результатов,, получение плавающим зондоы, находящимся или вне дебаевслой зоны-, или в разрядкой плазме, большое значение имеет определение параметров плазмы вбдвзп зонда. Дня решеаия этой зйдача предлагается оригинальная конструкция датчика, состоящего из плавающего электрода и вмонтированного в пего двойного зонда Пенгмюра. Подобные дахчяки входили в состав приборов "Пеленг" я "Ползпг-ЙРП".

Иоелвдовапая окопоракегпой области лрз ингзкции о нее электронов на высоте 80-150 т (эксперимент "Сгереотоп") > включены во второе.глшз!*

В первом параграфе обосновывается необходимость изучения разрядных процессов в околоракетной области для исследования нейтрализация в аптаванх экспериментах, проводимых в низшей поносфара.. Далаетоя обзор результатов ранее проведениях экспериментов.

Показано, что осповпоо преимущество эксперимента "Стерео-гоп" от ранее проведенных заключалось в той, чго в районе апогея (~И5 км) производилось отделение головной чаоти ракеты от двигателя. Сравнение результатов, полученных на раз-

личных ветвях траектории, впервые повзопвсо достоверно определить степень влияния продуктов газоотделеиия от дввгатввя на процессы нейтрализации. Исследования разрядных процессов,развивающихся после отделения двигателя, т.е. £ чистых условиях, делали эти результаты легко сравнимыми с результатами теоретических расчетов я модельных экспериментов.

В эксперименте "Сгереогоп" с борта ИР-12 производились инжькпии электронных пучков со следующими параметрами: гтшж. ~ А ; 1Ауок - 3,5 кВ ; питч-углы инкекции 66: г П4° ¡ длительности импульсов инжекции ~ 0,6'. а ; паузы между ними ~ 6 с .. Еабота инжектора аачалась на ~ 130 вы воохо-дящей ветви траектории и:продолжалась до ~ 80 км нисходящего учаотка.

Определение потенциала ракеты при янкекции электронов , производилось датчиком электростатического поля ДЭП и выносным Сна 70: см) плавашам зондом "Пеленг". Бортовой фотометр регистрировал свечение спектральной линии 2 » 5577 А и непрерывное излучение вблизи этой пинии. Иуч зрения фотометра был направлен перпендикулярно оси ракеты. Анализ ионного оостава окружающей среды производился о помощь? радиочастотного ионного масс-спектрометра.

По совокупности результатов' аондовых» яорпуояупярных ■

■ „ ■ ^

:^гаических измереш!йпосле импульоов инжекциа электронов делается заключение, о возникновении возмущенных зон вокруг ранеты. Максимальный размер поперек магнитного поля, который имеет эта зова на 1йооте ~140 км, равен не.менее 1500 м.

Образование в ионоофере возмущенной зоны о поперечным размером,в ~ 200 раз превышающий ларморовокий радиуо инжектированных электронов, объясняется взаимодействием яонов, ускоренных от ракеты в зоне ее потенциала,о окружающей оредой. Поперечный размер зоны будет определятся ларморовояим радиусом ионов:.

о ~ ÍSO С fSO ^К

^ s И и

где У о ~ потенциал ракеты..

Следовательно, измеряя -параметры возмущенной облает« после наждого випуиоа ааетнпиа, можно оценить ветчину потенциале ранета. Сраву после отделения двигателя эта величава о тала равной ~ I. нВ. Однако длительность регистрации возмущенной зоны, помимо ее размеров,, зависит и от скороотв диооипационных процеейов. Таким.образом,шжно определить только нижнюю границу'потбЯциа/ш. .

По данным "ЛЭП*1, -разность' потенциалов мевду корпуоои ракеты tf алектродоа,..расположенным на I мы от него,, равнядаоь ~12 В, т.е. - Li • В непосредственной близости

заряженного тела потенциал в плазме падает : -5—*

' к о

Подставив реализуемые в эксперименте параметры R0 » 220; мм и R = 221 шц получим % ^ 2 яВ, что находвтоя в удовлетворительном согласии о предыдущей оценкой. При указанной величине датчиком прибора "Пеленг", расположенным на ~70 см С-3,2 Rо ), измерялось весьма ограниченное падение потенциала (50-60 В). Подобные распределения потенциалов встречаются в анодных частях тлеющих разрядов в связаны о образованием

квазинейтральной плазмы вблизи анода- С целью доназагельсгва в условиях эксперимента "Сгереогоп" возможности развития разряда в окрещенных Е±Н полях был проведен модельный эксперимент о сохранением принципа подобия, Пйдача напряжения Г,5-2 кВ на имитатор.ракеты вызывала зажигание разряда. Ква-зинайтра льная плазма прилегала к равете И'распространялась примерно на расстояние 10 радиусов ракеты. -

О процеосах нейтрализации и величине потенциала ранеты в эксперимент«:"Стереотоп" до отстрела двигателя и ниже

ЮБ км можно оудить по данным прибора "Пйленг" и по результатам наблюдения возмущенной зоны» По этим данным, потенциал оценивался к^к 20-701 В. Предполагается, что нейтрализация происходила за очет плазмы ППР (Плазменно-Пучковый Разряд). Помимо уменьшения 49»> косвенными доказательствами развития ППР являются резкое увеличение ниже --'105 км фонового излучения в окрестности спектральной линии и проявление моментов запирания телеметрии.. Сделанное предположена» о развиты ППР и в этом случае нашло свое подтверждение в лабораторном эксперименте. В большой вакуумной камере с использованием ускорителя электронов, аналогичного ускорителю, используемому в эксперимента "Сгереогоп", изучались процессы развития ППР. В чаотнооти, было показано, что интенсивное горение разряда имело меото при давлении ~2-10~4 торр, что соответствует высотам ~Ю5 км.

Далее анализируется высотный профиль интенсивности свечения, который строитоя по значениям сигнала в каждом импуль-ое. Начиная о -«-140 км величина интенсивности свечения возрастала с уменьшением высоты полета и достигала первого максимума на 115 км. В диапазоне внсог 115-110 км интен-

- 1Г -

онвнооть овеченил падала. С дальнейшим уменьшением виооти (до 107 км) излучение увеличивалось, а ниже ~ 107 км наблю-далооь его уменьшение, таким образом, на профиле на-

блвдались два максимума интенсивности свечения. В предположения, что энергия"ускоренных ионов передается ионосферный компонентам только через.процессы столкновений, объясняется оущеотвованае лиш» одного максимума.

В этой главе предлагается модель, согласно которой верхний максимум связей о оущеатвованиеи на высотах Л 115 км механизма бесстолкновительной передачи кинвги.чвокой энергия ускоренных ионов /эдёктронам ионосферной плазмы. Нагретне елекгронн.я соою-'очередь^ интен'оивно взаимодействуя о нейтралами, генерируют наблвдаемое овёчение. ТГйже ~П5 км, из-за подавления механизма'нагрева электронов,происходит уменьшение интенсивности овеченвя. Дальнейшее, увеличение (на~ 107 км) вызвано возрастанием вклада отолкновигольных механизмов. Последующее уменьшение овеченил связано как о увеличением ско-роотп дезактивации возбужденного ооатояния 0('с5 ), так и о уменьшением анергии ионов, ускоренных от ракеты, за счет опада потенциала ^ . В качестве источника беоатолкновительного нагрева электронов рассматривается ивжнегибридная неустойчивость. Проведенные количественные оценки показывают, что превышение частота столкновений ускоренных ионов о нейтралами над инкрементом неустойчивости (т.е. падавяенво неустойчивости) происходит, как в предполагалось, на ~П0 км, т.е. ниже первого максимума.

?_Т.Р2ГА?? гл_аве_ рассмотрены результаты исследования

процеооов нейтрализации заряда высотного магнитооферного зонда. Изучение нейтрализации заряда КА важно при проведении: активных экспериментов на ИСЗ с орбитами, расположенными на выоо-тах -^300 км, на которых практически отсутствуют продукты газоотделения. В связи с этим интересными являются результаты, полученные в эксперименте "Грузия-60-СПУРТ" (1Б0С). В этом эксперименте высота подъема инжектирующего аппарата была увеличена до L5T4 км. Отстрал полностью металлизированного зонда от двигателя не начальном учаотке попета обеопе-чивал вакуумную чистоту эксперимента, форма зонда, близкая к оферичеокой, позволяла напрямую сравнивать экспериментальные результаты о результатами теоретических исследований.

Далее рассматриваются теоретические работы по проблемам нейтрализации. Приводятся результаты раочетов по определению размера облаоти экранирования заряда КА в плазме, а танке по опредевенип пространственного распределения потенциала аппарата. Даются.также полученные по различным моделям выражения, позволяющие расочитывать вольт-амперные характеристика КА.

В третьем параграфе првводитоя описание эксперимента 1Б0С , в котором о борта выоотного магнитосферного зонде а интервале высот 85-1514 км производилась внжеяцяя электрон-ввх пучков (в верхнюю поауоферу)' в кваэиимпуиьоном режиме. . Воего ни протяжеин полета зонда было инжектировано 240 треугольных и прямоугольных импульсов длвтвльниотью ~0,6 о а периодом следования ~5,3 о. Максимальные значеаия тока ан-женциа а. энергвв электронов была соответственно ~0,5 А ■ "6,2 кеВ. Зонд, траектория которого была блинка к вермкаяь-ной, был стабилизирован по трем осям, поэтому патч-угоа инжея-

ции был достоянным и равнялся Кб? . Приводится таблица, в когорой увезены основные характеристика диагностической аппаратуры, иопояьзувкой в эксаерименга.

Приводятся никоторые экспериментальные результата по яэввреасю потенцвала зонда плавающими электродами. Четыре плавающих эяентрода были установлены на диэлектрической штанге, на расстояниях от поверхности зонда ~0,7 и, ~Гм, ~2,2 ы и ~Э,2 м. Штанга быпа ориентирована под углом ~-45° относительно геомагнитных силовых, линий.

В главе изучена область экранирования заряда зонда. Из кривых,, показывающих пространственные распределения потенциала зонда, отчетливо наблюдается зависимость размера области экранирования заряда ог потенциала зокда как йс т.е. аналогичная полученной расчетным путем. С выоокой точностью совпадает с теоретическими расчетами я пространственное распределение потенциала. Теоретическая работа, с результатами которой сравнивались полученные данные,выполнялась без учета столкновительных. процессов.. Поэтому делается заключение, что на высоте ~ 300 кмОследовательпо и выше) плотность нейтральной атмосферы в эксаерименгв -Г60С была недостаточна для развития разряда. Следовательно, компенсация заряда происходила за счет ионосферной плазмы.

Да лее,на основе анализа ВАХ показано, как небольшие изменения плотности ионосферной плазмы влияют на вида ВАХ зонда, снятые^ на различных высотах.. Это еще раз подтвервдает, что комаенсацая заряда на высотвх. 2001 км происходит в основном только.за счет фоновой ионосферной плазмы. Делаютоя сравнения экспериментальной ВАХ о расчетными характеристиками, выпол-

ненаымв как о учетом, так и без учета магнитного поля. Сравнения показали, что существенным является влияние магнитного поля на двимение нейтрализующих рлектрснов. Следовательно, вокруг зонда образуется область пространственного заряда,- в которой сбор нейтрализующих.электронов происходят только по продольным. (Ътнооительно геомагнитного поля) направлениям.

В восьмом параграфе-, объясняется эффект, связанный с изменением потенциала зонда, в зависимости от направления полета. Согласно результатам эксперимента в интервале высот 450-1200' км, зонд при полете вверх заряжался на ~ Г,5?кВ больше, чем при полете вниз.

Показано, что в условиях торможения пучка, инжектированного вверх,, натекание ионосферных электронов на зонд происходит только снизу,-так кал внутри лучка образуется т.н. виртуальный катод о размерами, превышающими размеры зонда. ПроотранотвенныЙ заряд виртуального катода, расположенного . ив граница о невозмущенной плазмой,, является преградой для электронов аз н.евозмущеннрй плазмы; Далее рассматривается возмущение ионосферной плазмы из-за движения зонда оо одо-ростью У^ » VI , где V;- скорость исшоаферншс ионов. Для. значительных возмущений необходимо, чтобц размер двигающегося тела был больше дарморовского радиуса ионов.. В нашем оду--чае за размер тела берется размер облаоти экранирования заряда зонда, т.к. отражение набегающего потока ионосферных ионов происходило на границе этой области. Согласно раачвтам, плотность ионосферной плазмы у нижнего края области экранирования заряда^при полете вниз была на порядок больше, чем при полете вверх. Там самьдл, при полете вниа-зонд заряяадоя до меньших значений потенциалов, чем при полете вверх.

рассматривается возможность квазистационарного процесса зарядка КА до потенциала У0 > Ыуск . Приведены результаты некоторых.экспериментов, проведенных на ИСЗ, в которых, по .инению их авторов, выполнялось условие е Ц^ск . В одном из этих экспериментов, проведенном на космическом корабле "Шаттл", при достижении указанного равенства, наблюдалось свечение вокруг аппарата. Авторы объясняли это рассеиванием электронов тормозящего пучка. Однако в эти же моменты ка корабле регистрировались электроны с энергией Е й > <2 • • Поэтому результаты оптических наблюдений могли объясняться зарядкой корабля > Пус-к , т.к. при эго.м выполняется условие эффективного захвата части электронов пучка в потенциальной яме. Впервые возможность зарядки КА до>значений

^о ^ Пуск было показано в эксперименте 'ГБОС . В дальнейшим этот эффект был подтвержден в эксперименте "Майник", в котором инжекция электронов с параметрами гинж = 0,35 А и 1/1 С: 8 кВ на высоте ~ 380 км приводила к зарядка аппарата до сг 12 кВ.

В этом параграфе приводится качественное объяснение

одного из возможных механизмов-заряда КА до 4?о > ,

Движение инжектированных электронов с энергиями Ы. _„„ г

ус к ^

¿((3-4) кэВ происходив в той силовой трубке геомагнитного поля, откуда »после торможения (в поле зонда),электроны могут пратягагаться к зонду,ббеопечавая ток нейтрализации.При этом, зонд заряжаеФоя до Ыуйк . С увеличением энергии элект-

ронов пучка увзличивается их ларморовакий радиус и их торможение происходят уже в области драпового движения частиц. В это время нарушается условие = Гинж_ ) и стано-

вятся больше и 7СИ . Увеличение , следовательно, и

размера области -экранирования заряда зонда, будет продолжаться до тех пор, пока потенциал,равный Ц уск>, не будет падать на том расстоянии, откуда электроны пучка могут попасть на зонд.

В заключении кратко излагаются основные результаты, полученные в работе:

Г. Разработаны бортовые приборы - двойные зонды Пенгмю-ра и плавающие зонды, позволяющие определять плотнооть и температуру электронов космической плазмы, а также проотран-отвенное распределение потенциала космического аппарата. Несчетным путем показано, что при измерении потенциала электродом, расположенным на расстоянии 4 радиуса аппарата,ошибка не превышает .

2- Впервые в эксперименте "Стереотоп"^из-за отделения двигателя от головной чаоти ракеты величина плотности ней-, трального газа вблизи инжектора электронов была контролируемой, что делало исследования корректными. Было показано, •что на высотах ЭОтЮй км, где плотность нейтральной атмосферы меняется в пределах т 3*10^ •', инжекция• элзктронов о параметрами Г0НХ1 - 0,2 Л в Е 3,5.кэВ вызывала зажигание плазменно-пучкового разряда (ППР). Цлатность разрядной плазмы, вблизи ракеты была больше ом~®. Потенциал ракеты при этом,доотагал лишь 20-70 В. Установлено, что инжекция электронов л интервале высот ИО^-гаО' км заряжала ракету до Гг2 яВ, что согласно измерению структуры электрического поля ракеты, приводило в развитию разряда в окрещенных долях (типа Пеннинга)» ГОютнооть нейтраиьной атмосферы на указанных высотах менялась в пределах П)?0 * З-П)*2 си-3.

- ir -

Предложенное развитие плазменных процессов было под-тверадено модельными экспериментами по изучению разрядов Пеншшга и ППР.

3. HS основе наблюдения затяжек после импульсов инкекпиа в измерении и надфонового оптического излучения и в регистрации "горячих" электронов сделано заключение о возникновении вокруг ракеты большой возмущенной зоны. Максимальный размер этой зоны поперек геомагнитного поля равнялся ~1,5 км и наблюдался в районе апогея. Возмущение зоны производилось ионами разрядной плазмы, ускоренными от ракеты в поле ее потенциала.

В высотной зависимости интенсивности свечения возмущенной области наблюдались два максимума, на ~115 км и на 105 км. Существование верхнего максимума невозможно объяснить только в рамках столкновительной модели взаимодействия ионов с атмосферой.

Расчетным путем было показано, что образование этого максимума связано с развитием на высотах 115 км нижнегибридной неустойчивости из-за движения ионного потока в ионосферной плазме. За счет этого процесса происходила дополнительная передача энергии ионов ионосферным компонентам. На цысоте НО км из-за увеличения частоты соударения ионов с нейтралами, происходило подавление неустойчивости.

4. Впервые в эксперименте Г60С были получены наиболее полные данные об образовании области экранирования заряда зонда, о пространственном распределении потенциала, а также вольт-амперные характеристики зонда при инжекции о маг-нитосферного зонда электронов с I сг (Ю-3 - 5-I0-*) А

И Е — (20т6,3 Ю3) В.

Эти результаты были получены в широком интервале высот 2.00-1514 км. Преимущество данного эксперимента заключалось также в конструкции зонда, представляющего собой полностью проводящую сферу, что позволило производить сравнение экспериментальных результатов с различными теоретическими моделям!

Показано, что зависимость роста области экранирования заряда от потенциал^. ¿шяарага, а также пространственное распределение потенциала хорошо описываются кинетической теорией плазмы. Следовательно, для развития разрядных процессов . недостаточно плотности нейтральной атмосферы выше ~ 200 км.

Вольт-амперная характеристика хорошо описывается в рамках. модели, рассчитанной с учетом дрейфового движения электронов в скрещенных полях.

5". Определен верхний предел значения тока ишкедции Гкр~ 9 Г0 (Г0 - тепловой тол на зонд из плазмы), при котором электроны покидают ближнюю зону зонда. При больших значениях токов потенциал становидоя равным ускоряющему -напряжения ■ 4 6. Зависимость потенциала от направления инжекцаи и вектора скорости объясняется образованием виртуального яагода, т.е. потенциального барьера для ионосферных электронов, направляющихся л зонду. Раочетным путем было показано, что от расположения виртуального катода, относительно вектора ско-рооти зонда. ограничение йм.'гоканейтралваациа про исхода ло в различной отепени; г,«. вокруг быстро;движущегося аппарата > ) : плазма о и дьяо неоднородна.

7. Впервые обнаружено, что на высотах ~ 400 км, при Ц0„„ £ (®-4) яВ, аппарат заряжался в явазистацвонарном ре-

У Он • »

жиме до супер высокого потенциала ^ - Г,5 ^у0К. • В дальнейшем этот результат был подтвержден в эксперименте "МАИМИК", проведенном зарубежными специалистами.

Был предложен один из возможных механизмов, приводящий к превышению над К уок> : инжектируеше электроны о энергиями 4 03-4) кэВ движутоя в магнитной оиловой трубке, где тормозятся в поле зонда и, позвращаяоь но зонд, обеспечивают ток нейтрализации. При более высоких энергиях,пучок отклоняется и тормозится в зоне дрейфового движения чаотиц в окрещенных полях. Электроны пучка захватываются в этой облао-ти и не возвращаютоя на зонд, что приводит к нарушению условия стационаррости ГИ[Ш = 1недт и ^о становится больше С^уск,.

Ш. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И'ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Реализация работы. Исследования процессов нейтрализации заряда КА при инжекции электронных пучков проводились в рамках плановых работ лаборатории "Активных экспериментов" ИКИ! АН СССР по темам "АРАКС" и "ПАРАЛЛЕЛЬ". Результаты исследований отражены в соответствующих отчетах.

Апробация. Результаты исследований, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуадались на сессиях КОСПАР (Будапешт - 1980 г., Франция - 1906 г., Финляндия - 1988г.), на семинарах и конкурсах молодых ученых ИКИ АЧ СССР (19781985 гг.), на семинаре ФИ АН СССР (1983 г.), на конференции в Альпбахе, посвященной активннм экспериментам в космосе

(Австрия - 1985 г.), на конференции К0СМ0С-85 (Болгария -1985. г.), на международной конференции по проекту "АПЕКС" ((г. Липецк - 1990 г. ). По теме диосертацив опубликовано ID.' работ.

П.убпикации. Ооновное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

Г. Sagdeev , Uanagadze G.О. , Lyakhov S.B,, Martin-8on A.A., Romanovsky Y.A., Adeirhvily T.G., Gagua T.I., lial-orov A.D., beonov N.A. Adv. Space Hea. COSPAR, 1981, v. 1, N 2, p. 77-87.

2. Адейшвияи Т.Г/, Александров А.П., Гагуа Т.И., Мана-' гадзе Г.Г. О механизмах генерации непрерывного овечения при

воздействии пучка электронов на ионосферу. Препринт ИКИ AIT СССР, Москва, 1982, * 780.

3. Adelevlly T.G., Aleksandrov А.Ы., Gagua T.I., lial-orov A.D., Uanagadze G.G., Space Ree. Inst. USSR, Acad, oí Soi. Uoeoow, 1982, D-502. 1

4. Гагуа Т.И., Клоое S., Палиашвили А.Н., Пеонов H.A., Пяхов С.Б.. Манагадзе Г.Г., Мартиноон A.A., Майоров А.Д., Ридлер В.. Фридрих М. Особенности плазменных процессов, возникающих в зоне инжекции электронов о высотного зонда. Г. Про цессы нейтрализации. Препринт ИКИ АН.СССР, Москва, 1982,

* 782.

5. Бапебанов В.М., Гагуа Т.И., Клоое 3., Палиашвили А.Н.. Пеонов H.A., Ляхов С.Б.* Манагадзе Г.Г., Мартинсон A.A., Майоров А.Д., Риддер В., Фридрих ы. Особенности

- 2Г -

плазменных дроцеооов, вознвкающвх в зоне внжеяцяв электронов о выоотного зонда. 2. Ийоледованве плазменно-пучк°в°го разряда. Прзпрвнт ИКИ'АН СССР, Мооква, 1982, Ж>78Г.

6. Managadze O.G., Balebanov V.M., Lyakhov S.B., Ga-gua T.I., Maiorov A.D., Martinson A.A., Riedler W.t Pried-rtch M., Leonov N.A., Kloe Z., Laliashvili A.N. Active experiments in Space. Proceedings of an international symposium held at Alpbach, Auetria, 21-28 May , 1933, P. 161-169.

7. Adeiahvill T.G., Gagua 1.1., Managadze O.G., Adv. Space Res. COSPAR, 1985, v. 5, N 4, p. 251-254.

8. Манагадзе Г.Г., Адейшвили Г.Г., Александров А.П., Гагуа Т.И. Высотное распределение интенсивности свечения .генерированного инжекцией заряженных частиц в ионосферу земли. Болгарское'аотронавтйческое общество. Конференция "Коо-моа-85", 14-16 ноября 1985, Еарна, Болгария.

9. Манагадзе Т.Г., Гагуа Т.И., Бурчуладзе A.A., Ео-кель В.П., Шутяев И.Ю. Зависимость величины потенциала инжектирующего электроны зонда от высоты в направления его полета. Препринт ШОТ Äff СССР, Москва, 1986. np.-ÜVg .

10. Managadze G.G., Balebanov V.M., Burchuladze A.A., Gagua T.I., Leonov N.A., Hiedler W., Friedrich M., Torkar K., Laliashvili A.B. Z. Klos, Zbyszyneki 2., Planet. Space Sei. v. 36, N 1988, ,p. 399-410.

055(02)2 Ротанринт ИКИ PAH '

Москва, Профсоюзная, Ü4/32

Подписано к печати 27.01.92 Зжаз SФормат 7Uxi0b/32 Тираж 10U I уч.-изд.л.