Влияние электрического и магнитного полей Земли на распределение электрических зарядов на поверхности изделий

Как известно, Земля обладает отрицательным электрическим зарядом. Напряженность электрического поля на ее поверхности составляет ~ 120 В/м и может изменяться в зависимости от погодных условий. С увеличением высоты напряженность электрического поля Земли резко падает и на высоте 10 км составляет порядка 2 В/м, а на высоте 100 км ~ 1 мВ/м [63]. Поэтому наведение электростатических зарядов полем Земли возможно только при нахождении изделия на старте и на первых секундах полета.

При нахождении изделия на Земле на корпусе изделия индуцируются отрицательные заряды. Эти заряды создают на вершине изделия, в силу усиления поля Земли, Ез напряженность поля, равную Е изд. = к Ез. При старте, по мере подъема изделия, напряженность электрического поля на верхней части изделия возрастает до момента, когда нарушается электрический контакт с поверхностью Земли через электропроводящую струю ионизированных газов реактивного двигателя. В период отрыва от поверхности Земли проводящей части реактивной струи происходит перераспределение электрических зарядов, и напряженность электрического поля на поверхности изделия уменьшается.

Напряженность электрического поля на вершине изделия при наличии связи с поверхностью Земли (в том числе и через проводящую часть реактивной струи) можно оценить по формуле, справедливой для стержневых электродов [64]:

или приближенно:

где: hU3d - высота, м;

^изд — радиус, м;

К - коэффициент, равный 0, 6... 1.

Коэффициент К = 0,6 соответствует большим отношениям Кзд/Гизд, то есть huJru3d * (100-1000).

На рис. 1.4.1. приведен график изменения напряженности электрического поля на вершине изделия при К = 0,8 и Е3 = 0,12 кВ/м для различных значений hU3d!rU3d.

График изменения электрического поля на вершине изделия при различных соотношениях длины и диаметра изделия

Рисунок 1.4.1. График изменения электрического поля на вершине изделия при различных соотношениях длины и диаметра изделия

При грозовой погоде напряженность поля Земли может увеличиваться на порядок и более. Это приводит к увеличению напряженности электростатического поля на вершине изделия. При этом, возникает возможность появления на выступающих частях изделия коронных разрядов, возрастает вероятность удара в изделие молниевого разряда.

Напряженность электрического поля на поверхности изделия может также интенсивно возрастать вплоть до пробойных значений и при полете изделия вблизи грозовых облаков, которые обладают электростатическими зарядами и полями значительной величины обл = 50...200 кВ/м) [93]. При этом также возможно возникновение на изделии разрядных процессов и поражение его молнией. Существенную роль в этом случае может иметь и величина электростатического заряда самого изделия, разрядные процессы с которого могут играть роль инициатора молниевого разряда. Вероятность воздействия молниевого разряда на изделие зависит от величины электростатического заряда изделия, габаритных размеров изделия, длины приводящей части реактивной струи, близости к грозовому облаку и ряда других факторов [18, 65].

Как известно, всякий проводник, помещенный во внешнее электрическое поле Е0, поляризуется и искажает топологию этого поля таким образом, что вблизи заостренных концов проводящего тела возникает усиленное неоднородное электрическое поле. Это обусловлено соответствующим распределением поляризационных зарядов на поверхности проводника. Если внешнее электрическое поле ориентировано вдоль большой оси проводящего тела, форму которого можно аппроксимировать в виде эллипсоида, то усиленное электрическое поле вблизи его вершин можно определить как [22]:

где: еэ, гэ - длина и малый радиус эллипса.

В соответствии с этим как ракета, движущаяся на активном участке полета, так и спускаемый космический аппарат или другое тело, летящее в атмосфере Земли, на нисходящем участке полета могут иметь на своей поверхности усиленное электрическое поле. Например, при длине проводящей части спутного следа, равной 10 км и диаметром спутного следа 5 м, что в частности, справедливо для метеорных следов на высотах 60-90 км, усиление поля может составить К = 10.

Влияние магнитного поля Земли на процессы электрической зарядки имеет место при пролете изделий в ионосфере. В связи с этим отметим следующие эффекты:

1. При движении изделия под углом к силовым линиям магнитного поля Земли возникает разность потенциалов между диаметрально противоположенными точками поверхности изделия:

где: ЭКА - скорость изделия;

Н - напряженность магнитного поля;

L - расстояние между диаметрально противоположными точками.

Для Н — 0,4 Э, /- 100 см, Ska ~ 8 км/с, Д#? = 0,4 В.

Соответствующая напряженность электрического поля равна Е = 0,4 в/м. Отсюда можно заключить, что влияние данного эффекта может сказываться только при измерении очень небольших по амплитуде полей.

2. Магнитное поле Земли оказывает влияние на движение электрически заряженных частиц плазмы, в результате чего электроны и ионы движутся по спиральной траектории вдоль магнитных силовых линий. В ионосфере т.н. ларморовские радиусы вращения электронов равны 15-20 см, для ионов - 25-30 м. Соотношение ларморовских радиусов частиц и размеров КА определяет характер их взаимодействия и, следовательно, процессы электризации и распределения поверхностных электростатических полей, особенно на тыльной, по отношению к вектору скорости, стороне КА. При движении КА вдоль магнитного поля концентрация ионов на оси спутного следа близка к нулю. При движении КА под утлом к вектору магнитного поля концентрация ионов вдоль оси следа периодически изменяется с пространственным периодом [13]:

Tni =^n &КА !?

3. При наличии на поверхности изделия достаточных по величине электростатических полей магнитное поле Земли может быть причиной возникновения разрядного процесса и, следовательно, существенно влиять на уровень электризации изделия. Такое явление возникает в случае, когда направления электростатического поля изделия и магнитного поля Земли взаимно перпендикулярны. При этом возникает так называемый разряд в скрещенных полях. Такие разрядные (или квазиразрядные процессы) могут иметь место при включении и работе двигателей и инжекции электронных пучков.

1.5 Распределение напряженности

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >