شحن المركبة الفضائية

شحن المركبات الفضائية ظاهرة فيزيائية تتراكم فيها الشحنات الكهربائية أثناء عمل المركبات الفضائية في بيئات الفضاء. ويحدث هذا التأثير نتيجة التفاعلات بين المركبة الفضائية وبيئة البلازما المحيطة بها ، والإشعاع الشمسي ، والأشعة الكونية .

يتم شحن المركبات الفضائية من خلال عدة آليات:

• الانبعاث الكهروضوئي. عندما يسقط ضوء الشمس على أسطح المركبات الفضائية، يتم قذف الإلكترونات، مما يخلق شحنة موجبة.
• تفاعلات البلازما. تصطدم جزيئات البلازما المحيطة بالفضاء (الإلكترونات والأيونات) وتتجمع على أسطح المركبات الفضائية.
• انبعاث الإلكترونات الثانوية. عندما تصطدم الجسيمات عالية الطاقة بأسطح المركبات الفضائية، يمكنها إطلاق إلكترونات إضافية.
• الشحن العازل العميق. تخترق الجسيمات عالية الطاقة مواد المركبة الفضائية وتُحاصر داخلها.

تختلف عملية الشحن بشكل كبير باختلاف المدار. تتعرض المدارات المتزامنة مع الأرض لشحن شديد أثناء العواصف المغناطيسية الأرضية ، بينما تواجه المدارات المنخفضة حول الأرض شحنًا في المناطق القطبية وأثناء مرورها ليلاً. ^{[ 1 ]}

يشكل شحن المركبات الفضائية العديد من التهديدات التشغيلية: ^{[ 2 ]}

• التفريغ الكهروستاتيكي (ESDs). تفريغات القوس الكهربائي التي يمكن أن تتلف الإلكترونيات وأجهزة الاستشعار والطلاءات الحرارية. ^{[ 3 ]}
• أوامر خاطئة. إشارات كهرومغناطيسية ناتجة عن التفريغ الكهربائي يمكن أن تؤدي إلى تشغيل عمليات غير مقصودة في النظام.
• تدهور المواد. يؤثر تلف السطح على الخصائص الحرارية وكفاءة المصفوفة الشمسية.
• التداخل العلمي. يمكن للأسطح المشحونة أن تشوه القياسات الصادرة من أجهزة البلازما.

وتشمل الحوادث الناجمة عن شحن المركبات الفضائية فشل قمر الاتصالات Galaxy 15 في عام 2010 ، والذي انجرف بشكل غير مسيطر عليه لمدة ثمانية أشهر بعد أن أدى حدث الشحن إلى تعطيل أنظمة التحكم الخاصة به، والفقدان الكامل لقمر ADEOS II في عام 2003. ^{[ 2 ]}

أُطلقت عدة مركبات فضائية لفهم أسباب وتأثيرات الشحن. أُطلقت مركبة SCATHA (شحن المركبات الفضائية على ارتفاعات عالية) من قِبل القوات الجوية الأمريكية عام 1979، وقد أثبتت أنها إضافة قيّمة لمجتمعات علوم الفضاء وهندسة الأقمار الصناعية. رصدت المركبة أقواسًا كهربائية، وقاست كلًا من بيئة الفضاء وشحن القمر الصناعي بأكمله والعديد من أسطحه استجابةً لذلك. طُوّرت عدة أقمار صناعية من قِبل مختبر لوس ألاموس الوطني ، ومنها أيضًا الأقمار الصناعية البيئية التشغيلية الثابتة بالنسبة للأرض (GOES). ^{[ 4 ]}

تم تطوير عدة مناهج لتقليل مخاطر الشحن:

• يمكن استخدام الطلاءات الموصلة لتوزيع الشحنة بالتساوي عبر أسطح المركبات الفضائية.
• توفر أنظمة التأريض مسارات تفريغ لمنع الشحن التفاضلي.
• تقوم أنظمة التحكم النشط في الشحنة بإصدار جسيمات مشحونة لتحييد جهد المركبة الفضائية.

يعتمد تصميم المركبات الفضائية الحديثة بشكل متزايد على النمذجة الشاملة لمنع حدوث تشوهات في الشحن أثناء عمليات المهمة.

• لاي، شو تي. (2012). أساسيات شحن المركبات الفضائية: تفاعلات المركبات الفضائية مع بلازما الفضاء . مطبعة جامعة برينستون. ISBN 978-0-691-12947-1.
• مقدمة في فيزياء الشحن والتفريغ - ديسكانسو (ملف PDF) .
• مكفيرسون، د.؛ كوفمان، د.؛ شوبر، و. (1975). "شحن المركبات الفضائية على ارتفاعات عالية - برنامج الأقمار الصناعية SCATHA". الاجتماع الثالث عشر لعلوم الفضاء . doi : 10.2514/6.1975-92 .
• تخفيف آثار الشحن في الفضاء - دليل إرشادي (ملف PDF) . ناسا. 2022.
• غاريت، هنري ب.؛ ويتلسي، ألبرت س. (2012). دليل لتخفيف آثار شحن المركبات الفضائية . doi : 10.1002/9781118241400 . ISBN 978-1-118-18645-9.