ОЦІНКА ЗМІНИ ЗНАЧЕНЬ ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНОЇ КОСМІЧНОЇ ТРОСОВОЇ СИСТЕМИ ВНАСЛІДОК ТЕПЛОВИХ ВПЛИВІВ
DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.03.031 This paper presents a refined model for determining the tether temperature variation in orbital motion, which is of importance to the operation of passive electrodynamic space tether systems (EDSTSs) with a thermoelectronic coating. It is shown that a the...
Збережено в:
| Дата: | 2025 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
текст 3
2025
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/139 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technical Mechanics |
Репозитарії
Technical Mechanics| id |
oai:ojs2.journal-itm.dp.ua:article-139 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Technical Mechanics |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2025-11-07T22:21:08Z |
| collection |
OJS |
| language |
Ukrainian |
| topic |
електродинамічна космічна тросова система проєктні параметри тепловий баланс системи термоелектронне покриття. |
| spellingShingle |
електродинамічна космічна тросова система проєктні параметри тепловий баланс системи термоелектронне покриття. MISHCHENKO, O. V. ОЦІНКА ЗМІНИ ЗНАЧЕНЬ ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНОЇ КОСМІЧНОЇ ТРОСОВОЇ СИСТЕМИ ВНАСЛІДОК ТЕПЛОВИХ ВПЛИВІВ |
| topic_facet |
електродинамічна космічна тросова система проєктні параметри тепловий баланс системи термоелектронне покриття. electrodynamic space tether system design parameters thermal balance of the system thermo-electronic coating. |
| format |
Article |
| author |
MISHCHENKO, O. V. |
| author_facet |
MISHCHENKO, O. V. |
| author_sort |
MISHCHENKO, O. V. |
| title |
ОЦІНКА ЗМІНИ ЗНАЧЕНЬ ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНОЇ КОСМІЧНОЇ ТРОСОВОЇ СИСТЕМИ ВНАСЛІДОК ТЕПЛОВИХ ВПЛИВІВ |
| title_short |
ОЦІНКА ЗМІНИ ЗНАЧЕНЬ ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНОЇ КОСМІЧНОЇ ТРОСОВОЇ СИСТЕМИ ВНАСЛІДОК ТЕПЛОВИХ ВПЛИВІВ |
| title_full |
ОЦІНКА ЗМІНИ ЗНАЧЕНЬ ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНОЇ КОСМІЧНОЇ ТРОСОВОЇ СИСТЕМИ ВНАСЛІДОК ТЕПЛОВИХ ВПЛИВІВ |
| title_fullStr |
ОЦІНКА ЗМІНИ ЗНАЧЕНЬ ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНОЇ КОСМІЧНОЇ ТРОСОВОЇ СИСТЕМИ ВНАСЛІДОК ТЕПЛОВИХ ВПЛИВІВ |
| title_full_unstemmed |
ОЦІНКА ЗМІНИ ЗНАЧЕНЬ ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНОЇ КОСМІЧНОЇ ТРОСОВОЇ СИСТЕМИ ВНАСЛІДОК ТЕПЛОВИХ ВПЛИВІВ |
| title_sort |
оцінка зміни значень параметрів електродинамічної космічної тросової системи внаслідок теплових впливів |
| title_alt |
ASSESSMENT OF THE PARAMETER VARIATION OF AN ELECTRODYNAMIC SPACE TETHER SYSTEM UNDER THERMAL ACTION |
| description |
DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.03.031
This paper presents a refined model for determining the tether temperature variation in orbital motion, which is of importance to the operation of passive electrodynamic space tether systems (EDSTSs) with a thermoelectronic coating. It is shown that a thermoelectronic coating of a tether significantly increases the collection of currents by the system, thus considerably increasing the EDSTS operational efficiency in comparison with the absence of additional contactors. The effect of thermal conditions on the EDSTS parameters is studied. The EDSTS component temperature variation is studied using a thermal balance equation, which accounts for the direct solar heat flux, the Earth-reflected solar heat flux, the Earth’s intrinsic heat flux, the aerodynamic heating, the ohmic heating, the electron impact heating, the thermal radiation of the tether, and the tether hat conductivity. To calculate the electric currents in the EDSTS passive operation, use is made of models based on orbitally limited current models for the anode segment of the tether and the Richardson – Dushman theory for total emission from the cathode segment of the tether. It is shown that on of important issues in EDCTS designing and making is the choice of a tether material that would meet certain requirements for its characteristics. The material parameters to be accounted for are the heat capacity, the IR solar absorptance, and the IR emittance. These parameters are crucial in the calculation of the system temperature variation. The greater the heat capacity, the slower the processes of system component heating and cooling. It is shown that the extreme temperatures of the system components in the shadowed and the illuminated portion of the orbit depend significantly of the ratio of the tether IR solar absorptance to the tether IR emittance. This ratio is governed both by a specific material and by the presence of impurities therein and the roughness or mirror finish degree of its surface.
REFERENCES
1. Sánchez-Arriaga G., Naghdi S., Wätzig K., Schilm J., Lorenzini E.C. , Tajmar M., Urgoiti E., Tarabini Castellani L., Plaza J.F. , Post J.F. The E.T.PACK project: Towards a fully passive and consumable-less deorbit kit based on low-work-function tether technology. Acta Astronautica. 2020. V. 177. Pp. 821 - 827. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.03.036
2. Sánchez-Arriaga G., Sanmartin J. R. Electrical model and optimal design scheme for low work-function tethers in thrust mode. Aerospace Science and Technology. 2020. V. 96. Paper 105519.https://doi.org/10.1016/j.ast.2019.105519
3. Sanchez-Arriaga G., Chen Х. Modeling and performance of electrodynamic low-work-function tethers with photoemission effects. Propulsion and Power. 2018. V. 34. No. 1. Pp. 213 - 220.https://doi.org/10.2514/1.B36561
4. Jensen K. L., Feldman W. D., Moody N. A., O'Shea P. G. A Photoemission model for low work function coated metal surfaces and its experimental validation. Applied Physics. 2016. V. 99. No. 12. Paper 124905. https://doi.org/10.1063/1.2203720
5. Mishchenko O. V. Methodological Support of Electrodynamic Space Tether System Design. PhD thesis. Approved on June 26, 2021. Dnipro, 2021. 226 pp. (In Ukrainian).
6. Williams P., Yeo Sh., Blanksby Ch. Heating and modeling effects in tethered aerocapture missions. Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2003. V. 49. No. 4. Pp. 643 - 654.https://doi.org/10.2514/2.5093
7. Davies J. H., Davies D. R. Earth's surface heat flux. Solid Earth. 2010. V. 1. No. 1. Pp. 5 - 24.https://doi.org/10.5194/se-1-5-2010
8. Williams J. D. Sanmartin J. R., Rand L. P. Low work-function coating for an entirely propellantless bare electrodynamic tether. IEEE Transactions on Plasma Science. 2012. V. 40. No. 5. Pp. 1441 - 1445.https://doi.org/10.1109/TPS.2012.2189589
|
| publisher |
текст 3 |
| publishDate |
2025 |
| url |
https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/139 |
| work_keys_str_mv |
AT mishchenkoov assessmentoftheparametervariationofanelectrodynamicspacetethersystemunderthermalaction AT mishchenkoov ocínkazmíniznačenʹparametrívelektrodinamíčnoíkosmíčnoítrosovoísistemivnaslídokteplovihvplivív |
| first_indexed |
2025-10-30T02:49:51Z |
| last_indexed |
2025-11-08T03:02:30Z |
| _version_ |
1848189596491317248 |
| spelling |
oai:ojs2.journal-itm.dp.ua:article-1392025-11-07T22:21:08Z ASSESSMENT OF THE PARAMETER VARIATION OF AN ELECTRODYNAMIC SPACE TETHER SYSTEM UNDER THERMAL ACTION ОЦІНКА ЗМІНИ ЗНАЧЕНЬ ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНОЇ КОСМІЧНОЇ ТРОСОВОЇ СИСТЕМИ ВНАСЛІДОК ТЕПЛОВИХ ВПЛИВІВ MISHCHENKO, O. V. електродинамічна космічна тросова система, проєктні параметри, тепловий баланс системи, термоелектронне покриття. electrodynamic space tether system, design parameters, thermal balance of the system, thermo-electronic coating. DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.03.031 This paper presents a refined model for determining the tether temperature variation in orbital motion, which is of importance to the operation of passive electrodynamic space tether systems (EDSTSs) with a thermoelectronic coating. It is shown that a thermoelectronic coating of a tether significantly increases the collection of currents by the system, thus considerably increasing the EDSTS operational efficiency in comparison with the absence of additional contactors. The effect of thermal conditions on the EDSTS parameters is studied. The EDSTS component temperature variation is studied using a thermal balance equation, which accounts for the direct solar heat flux, the Earth-reflected solar heat flux, the Earth’s intrinsic heat flux, the aerodynamic heating, the ohmic heating, the electron impact heating, the thermal radiation of the tether, and the tether hat conductivity. To calculate the electric currents in the EDSTS passive operation, use is made of models based on orbitally limited current models for the anode segment of the tether and the Richardson – Dushman theory for total emission from the cathode segment of the tether. It is shown that on of important issues in EDCTS designing and making is the choice of a tether material that would meet certain requirements for its characteristics. The material parameters to be accounted for are the heat capacity, the IR solar absorptance, and the IR emittance. These parameters are crucial in the calculation of the system temperature variation. The greater the heat capacity, the slower the processes of system component heating and cooling. It is shown that the extreme temperatures of the system components in the shadowed and the illuminated portion of the orbit depend significantly of the ratio of the tether IR solar absorptance to the tether IR emittance. This ratio is governed both by a specific material and by the presence of impurities therein and the roughness or mirror finish degree of its surface. REFERENCES 1. Sánchez-Arriaga G., Naghdi S., Wätzig K., Schilm J., Lorenzini E.C. , Tajmar M., Urgoiti E., Tarabini Castellani L., Plaza J.F. , Post J.F. The E.T.PACK project: Towards a fully passive and consumable-less deorbit kit based on low-work-function tether technology. Acta Astronautica. 2020. V. 177. Pp. 821 - 827. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.03.036 2. Sánchez-Arriaga G., Sanmartin J. R. Electrical model and optimal design scheme for low work-function tethers in thrust mode. Aerospace Science and Technology. 2020. V. 96. Paper 105519.https://doi.org/10.1016/j.ast.2019.105519 3. Sanchez-Arriaga G., Chen Х. Modeling and performance of electrodynamic low-work-function tethers with photoemission effects. Propulsion and Power. 2018. V. 34. No. 1. Pp. 213 - 220.https://doi.org/10.2514/1.B36561 4. Jensen K. L., Feldman W. D., Moody N. A., O'Shea P. G. A Photoemission model for low work function coated metal surfaces and its experimental validation. Applied Physics. 2016. V. 99. No. 12. Paper 124905. https://doi.org/10.1063/1.2203720 5. Mishchenko O. V. Methodological Support of Electrodynamic Space Tether System Design. PhD thesis. Approved on June 26, 2021. Dnipro, 2021. 226 pp. (In Ukrainian). 6. Williams P., Yeo Sh., Blanksby Ch. Heating and modeling effects in tethered aerocapture missions. Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2003. V. 49. No. 4. Pp. 643 - 654.https://doi.org/10.2514/2.5093 7. Davies J. H., Davies D. R. Earth's surface heat flux. Solid Earth. 2010. V. 1. No. 1. Pp. 5 - 24.https://doi.org/10.5194/se-1-5-2010 8. Williams J. D. Sanmartin J. R., Rand L. P. Low work-function coating for an entirely propellantless bare electrodynamic tether. IEEE Transactions on Plasma Science. 2012. V. 40. No. 5. Pp. 1441 - 1445.https://doi.org/10.1109/TPS.2012.2189589 DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.03.031 Доопрацьовано модель визначення зміни температури троса при орбітальному русі, що є важливим питанням для функціонування пасивних електродинамічних космічних тросових систем (ЕДКТС) з термоелектронним покриттям. Показано, що термоелектронне покриття троса істотно збільшує збирання струмів системою, що значно підвищує ефективність функціонування ЕДКТС порівняно з пасивною ЕДКТС без додаткових контакторів. Проведено дослідження впливу теплових режимів функціонування на зміну значень параметрів ЕДКТС. Для визначення зміни температури елементів ЕДКТС використано рівняння теплового балансу, яке враховує тепловий потік прямого сонячного випромінювання, потік відбитого Землею сонячного випромінювання, тепловий потік власного випромінювання Землі, втрати в результаті атмосферного опору, омічні втрати в електродинамічному тросі, втрати за рахунок електронних ударів, тепловий потік, що випромінюється поверхнею троса, тепловий потік за рахунок теплопровідності троса. Для розрахунку електричних струмів при функціонуванні ЕДКТС в пасивному режимі використовуються моделі, які ґрунтуються на моделях орбітально обмеженого струму для анодної частини троса та на теорії Річардсона–Дешмана для повної емісії для катодного сегменту троса. Показано, що при проєктуванні та створенні ЕДКТС одним з важливих питань є вибір матеріалу троса, який повинен відповідати деяким вимогам до його характеристик. Параметри матеріалу, які необхідно враховувати, є його теплоємність, коефіцієнти поглинання сонячного світла та випромінювання світла у інфрачервоному діапазоні. Ці параметри є ключовими при розрахунку зміни температури системи. Для матеріалів з більшою теплоємністю процеси нагрівання та остигання поверхні елементів системи будуть проходити повільніше. Показано, що екстремальні температури елементів системи на тіньовій і освітленій ділянці орбіти істотно залежать від відношення коефіцієнтів поглинання сонячного випромінювання і випромінювання світла матеріалом троса в інфрачервоному діапазоні. Це відношення визначається як конкретним матеріалом, так і наявністю в ньому домішок, ступенем шорсткості чи дзеркальності поверхні. ПОСИЛАННЯ 1. Sánchez-Arriaga G., Naghdi S., Wätzig K., Schilm J., Lorenzini E. C. , Tajmar M., Urgoiti E., Tarabini Castellani L., Plaza J. F. , Post J. F. The E.T.PACK project: Towards a fully passive and consumable-less deorbit kit based on low-work-function tether technology. Acta Astronautica. 2020. V. 177. P. 821–827. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.03.036 2. Sánchez-Arriaga G., Sanmartin J. R. Electrical model and optimal design scheme for low work-function tethers in thrust mode. Aerospace science and technology. 2020. V. 96, Paper 105519. https://doi.org/10.1016/j.ast.2019.105519 3. Sanchez-Arriaga G., Chen Х. Modeling and performance of electrodynamic low-work-function tethers with photoemission effects. Propulsion and Power. 2018. V. 34, №1. P. 213–220. https://doi.org/10.2514/1.B36561 4. Jensen K. L., Feldman W. D., Moody N. A., O’Shea P. G. A Photoemission model for low work function coated metal surfaces and its experimental validation. Applied Physics. 2016. V. 99, №12. Paper 124905. https://doi.org/10.1063/1.2203720 5. Міщенко О. В. Методичне забезпечення проектування електродинамічних космічних тросових систем: дис. … кан. тех. наук: утв. 26.04.21. Дніпро. 2021. 226 с. 6. Williams P., Yeo Sh., Blanksby Ch. Heating and Modeling Effects in Tethered Aerocapture Missions. Journal of Guidance, Control, and Gynamics. 2003. V. 49, №4. P. 643–654. https://doi.org/10.2514/2.5093 7. Davies J. H., Davies D. R. Earth’s surface heat flux. Solid Earth. 2010. V. 1, №1. P. 5–24. https://doi.org/10.5194/se-1-5-2010 8. Williams J. D., Sanmartin J. R., Rand L. P. Low Work-Function Coating for an Entirely Propellantless Bare Electrodynamic Tether. IEEE Transactions on Plasma Science. 2012. V. 40, №5. P. 1441–1445. https://doi.org/10.1109/TPS.2012.2189589 текст 3 2025-10-28 Article Article application/pdf https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/139 Technical Mechanics; No. 3 (2025): Technical Mechanics; 31-45 Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины; № 3 (2025): Technical Mechanics; 31-45 ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА; № 3 (2025): ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА; 31-45 uk https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/139/52 Copyright (c) 2025 Technical Mechanics |