¿Distancia de chispas/arcos entre dos naves espaciales?

¿Cuál es la distancia a la que dos naves espaciales producirán un arco/chispa en SSO? Por ejemplo, si uno acaba de lanzarse y ha estado allí durante mucho tiempo (por ejemplo, una diferencia de voltaje de 10-20 kV en el peor de los casos). Creo que la Ley de Paschen es la ecuación correcta, pero no estoy seguro de cómo lidiar con esto en el entorno espacial...

Aparte, sospecho que la carga no lleva "mucho tiempo", aunque esa opinión se basa más en la experiencia GEO del tiempo entre el inicio de la fluencia mejorada y un evento de ESD en el satélite: 1 a 3 días. He oído hablar de investigaciones más recientes que también respaldan la visión a largo plazo. Veré lo que puedo encontrar. La carga diferencial en un solo satélite puede ser impulsada por las propiedades de la superficie y las condiciones de luz solar/sombra. Parece obvio verificar antes de una maniobra de atraque, por lo que debe haber literatura disponible. Yo también empezaría con la ley de Paschen. Buena pregunta.
¿Cómo llegaría a ser un arco? Casi no hay moléculas de gas en un SSO típico y la nave espacial normalmente tampoco debería emitir ninguna, afaik. Tampoco deben emitir electrones. Tal vez si dispararan sus propulsores. Aún así, no puedo imaginar arcos a voltajes tan moderados a más del nivel submilimétrico.
Hay plasma. Se cree que los plasmas soportan la formación de arcos satelitales entre conductores expuestos que transportan corriente, aunque si eso incluye el plasma natural en lugar de uno creado localmente a partir del satélite es otra cuestión y si el plasma, natural o no, puede soportar descargas entre vehículos es el punto. de la pregunta De cualquier manera, ha hecho un buen punto: tal vez la ley de Paschen no sea el punto de partida correcto si se limita a una atmósfera neutral. Dicho esto, los satélites recién lanzados se desgasificarán durante un tiempo.
@Rikki-Tikki-Tavi Además de lo último, tienes razón: - "... La ley de Paschen no es válida si hay fuentes de electrones externas" tomada de en.wikipedia.org/wiki /...
@ Rikki-Tikki-Tavi: el autoarco es un gran problema con las naves espaciales, especialmente durante los momentos en que una nave espacial está a la sombra de la Tierra (es decir, no se emiten fotoelectrones) y puede provocar daños graves en el cuerpo y los instrumentos en el autobús. Generalmente, los diseños incorporan materiales de conductividad relativamente alta en las partes expuestas de la nave espacial para minimizar este efecto. Los intereses en competencia se convierten entonces entre cuánta conductividad versus cuánto dinero uno quiere gastar...
@astrocurious: generalmente, la formación de arcos ocurre en los bordes "afilados" de una nave espacial que no está bien conectada a tierra y tiene sustancias de baja conductividad expuestas al espacio. Sin embargo, incluso las naves espaciales mal diseñadas rara vez cargan más de unos pocos kV, por lo que no estoy seguro de si es posible llegar a 10-20 kV sin que ocurra algo muy extremo.
@honeste-vivere Aparte, ¿qué papel juegan los bordes afilados? Entiendo el lado fotoeléctrico, la necesidad de conectar a tierra la piel del satélite y cualquier metal eléctricamente aislado, etc., pero no estoy realmente al tanto de los problemas de forma.

Respuestas (2)

No puedo darle números precisos, pero para pedidos de 10kV, esta será una distancia submilimétrica.

El mecanismo de arco en el vacío es significativamente diferente que en el aire. Mientras que en el aire las partículas de aire, excitadas, se convierten en plasma y comienzan a conducir electricidad, no existe tal medio en el vacío. Hay emisión de electrones de campo , especialmente de cualquier punto afilado; ya sea en el espacio vacío, o hacia un objetivo con carga positiva (la otra nave espacial). Ahora bien, esta emisión debe alcanzar tal intensidad como para calentar el electrodo hasta que su propio material que se evapora se emita al espacio y sea transportado por los electrones hasta llegar al objetivo: crea un puente de plasma. Solo entonces puede ocurrir el arco, ya que excita más material del electrodo produciendo más plasma que sostiene el arco.

Esto depende en gran medida de la capacidad de emitir suficientes electrones en un área lo suficientemente pequeña para que la corriente vaporice la superficie del electrodo. Y aquí comienzan los verdaderos problemas de cálculo: ¿cuál es la temperatura de evaporación del material? ¿Cuál es su resistencia, correspondiente a la potencia de la corriente que se emite? ¿Cuál es su forma? Las cuchillas afiladas producen una emisión de campo mucho mayor que las superficies planas. ¿Qué tan rápido y qué tan lejos volará el material emitido antes de que se enfríe lo suficiente como para volverse resistivo? Deja de ser un problema eléctrico, y se convierte en un problema de cálculo del comportamiento de la mecánica de producción y recorrido del plasma metálico evaporado en el vacío.

editar: Wikipedia da :

Alto vacío (emisión de campo limitada) 20 - 40MV/m (depende de la forma del electrodo)

entonces, 20-40kV/mm.

Gracias, realmente no había entendido la emisión de campo antes. Esto parece ser consistente con la noción de que la formación de arcos debido a la emisión de campo podría exacerbarse a) si partes del satélite (s) ya estuvieran cargadas a unos pocos miles de voltios por el flujo de partículas incidente o la emisión fotoeléctrica o b) si hubiera un plasma en lugar de un vacío que rodea al satélite. ¿Esto último en particular no permitiría salvar espacios más grandes en un arco?
@Puffin: no hay fuentes detrás de esto, pero según mi "corazonada de ingeniero": a) la electricidad estática puede transportar voltajes masivos pero rara vez tiene un amperaje significativo. Si puede sobrecalentar una punta afilada tanto que comienza no solo a brillar sino a evaporarse, está perdiendo la carga muy rápido. b) ¿cómo llegaría allí ese plasma? ¿Rozando la atmósfera superior? ¿Eyección de masa coronal? Esto es espacio, cualquier condensación de plasma debería evaporarse muy rápido.
@Puffin ... aunque re: a): si una nave tiene una carga bastante neutra y la otra tiene una positiva, la descarga podría ocurrir. La emisión de electrones de campo es el mecanismo fácil para deshacerse del exceso de carga negativa. Sin embargo, no estoy exactamente seguro de cómo deshacerme de la carga positiva en el vacío, por lo que podría durar mucho más que la negativa.
Para mi punto (b) hay un plasma permanente en algunas regiones de la órbita terrestre. Esto comprende la ionosfera a bajas altitudes como la utilizada por la ISS, y que entiendo es de densidad relativamente baja, y los cinturones de Van Allen que son aplicables a misiones LEO más altas como Globalstar, las diversas flotas de navegación en MEO y todos los satélites GEO.
En GEO, los cinturones pueden ser agitados por eventos de partículas solares que cambian el espectro de energía de las partículas atrapadas (cinturón). Es nuevo para mí que la emisión de electrones de campo podría ser un medio significativo de pérdida de carga negativa, hasta la fecha había entendido que el proceso dominante en todas las altitudes era el efecto fotoeléctrico, excepto, por supuesto, en eclipse. Se sabe que la transición del eclipse a la luz del sol desencadena anomalías de ESD.

Dependerá de la región orbital, por lo que esta es una respuesta parcial relacionada específicamente con la ISS.

[El entorno de los vuelos espaciales: la Estación Espacial Internacional y más allá] 1 proporciona esta descripción:

Plasma ionosférico

Las naves espaciales en órbita baja alrededor de la Tierra tienen una interacción compleja con el plasma ionosférico. Los paneles solares de la Estación Espacial Internacional funcionan a 160 V y el sistema de distribución es de 120 V CC. El lado negativo del sistema de alimentación está conectado a tierra con la estructura de la estación espacial, lo que da como resultado una gran cantidad de energía almacenada en la estructura a –140 V. Los paneles solares de alto voltaje, junto con el diseño y las propiedades de los materiales de la Estación Espacial Internacional, pueden provocar interacciones perjudiciales con el plasma ionosférico.

Se han colocado dos unidades de contactores de plasma en la Estación Espacial Internacional para proporcionar un "cable de tierra" para evitar la descarga del arco. Estos dispositivos emiten una corriente de electrones de baja energía durante los paseos espaciales que reducen la acumulación de carga eléctrica.[13] Siempre que las unidades de contactores de plasma funcionen, un astronauta que flote libremente durante una caminata espacial no tiene riesgo de exposición a arcos. Sin embargo, las ataduras de acero utilizadas por los astronautas para sujetarse a la estructura de la estación espacial y las superficies metálicas expuestas del traje espacial o las herramientas utilizadas durante la caminata espacial son fuentes potenciales de formación de arcos si ambas unidades de contacto de plasma fallaran durante una caminata espacial. .

Para obtener el crédito completo, tenga en cuenta que la referencia "[13]" en la cita se refiere a este libro:

Tribble CA. El entorno espacial y su impacto en el diseño de naves espaciales. 31.º Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA), Reunión y Exhibición de Ciencias Aeroespaciales; 1993 11 al 14 de enero; Reno (NV). Webster (TX): Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica; 1993. pág. 491.

Para abordar la pregunta : no está claro qué distancia se puede inferir aquí. El riesgo de las herramientas manuales de metal parece ser que, si se dejan "flotando" en términos eléctricos, en algún momento de su propia acumulación de carga, un evento de descarga puede unir los materiales aislantes, como en un traje espacial. Parece razonable que también podría ocurrir un arco cuando dicha herramienta se devuelve a las proximidades de la estación espacial.

No está claro cuál sería el papel de la correa de acero. Superficialmente, parecería ser una buena oportunidad para reducir los riesgos si cada elemento suelto pudiera volver a conectarse a la referencia de 0 voltios de la estación espacial, pero parece que se aplica una filosofía de diseño diferente en este contexto.

Para obtener más información sobre la respuesta a la distancia, sugeriría, como próxima parada, leer más sobre el propósito y el diseño de la unidad de contactor de plasma.

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