[论文解读] Experimental Study of a Lorentz Actuated Orbit

William R. Gorman, James D. Brownridge+1 more|ArXiv.org|May 21, 2008

Astro and Planetary Science参考文献 7被引用 4

一句话总结

本文研究了一种利用航天器充电以与行星磁场相互作用产生洛伦兹力的新型卫星轨道控制方法。在真空和等离子体环境中的实验表明，对航天器进行绝缘可防止电弧产生并维持电荷，从而实现稳定的洛伦兹力推进，且表面无净电荷积累。

ABSTRACT

This experimental study investigates a new technique to keep a satellite in orbit utilizing electrodynamics. The technique consists of establishing a charge on a satellite such that the body's motion through a planetary magnetic field induces acceleration via the Lorentz force. In order to find the relationship between capacitance and power required to balance incident plasma current, various objects were tested in high vacuum, plasma, and Xenon gas to determine their ability to hold charge. Radioactive material (Am-241) and pyroelectric crystals were tested as a candidate power source for charging the objects. Microscopic arcing was observed at voltages as low as -300 V. This arcing caused solder to explode off of the object. Insulating the object allowed the charge to remain on the object longer, while in the plasma, and also eliminated the arcing. However, this insulation does not allow a net charge to reside on the surface of the spacecraft.

研究动机与目标

• 探索一种利用带电航天器在行星磁场中运动时产生的洛伦兹力进行卫星轨道控制的新方法。
• 确定在低地球轨道等离子体环境中维持航天器稳定电荷的可行性。
• 评估候选电源（如镅-241和铁电晶体）在为航天器充电方面的适用性。
• 识别并缓解微小电弧等问题，这些问题会降低电荷保持能力并损坏航天器部件。
• 评估绝缘在防止电弧发生的同时维持航天器表面电荷的作用。

提出的方法

• 使用放射性（Am-241）和铁电材料为航天器本体充电，以产生持续的电势。
• 在高真空、等离子体和氙气环境中测试多种物体，以测量电荷保持能力和电流平衡。
• 测量电容与为抵消入射等离子体电流而维持电荷平衡所需的功率之间的关系。
• 使用绝缘涂层抑制表面电弧，提高等离子体暴露下的电荷稳定性。
• 在低至-300 V的电压下观察并记录电弧行为，以评估结构和电气部件的退化风险。
• 分析电荷保持能力与绝缘表面无法维持净电荷之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在等离子体环境中，带电航天器表面启动微小电弧所需的最低电压是多少？
• RQ2 在低密度等离子体暴露下，对航天器表面进行绝缘处理如何影响电荷保持能力和电弧行为？
• RQ3 在入射等离子体电流存在的情况下，电容与维持电荷所需功率之间的关系是什么？
• RQ4 铁电或放射性材料能否可靠地产生足够高的电压以实现基于洛伦兹力的轨道控制？
• RQ5 为何对航天器进行绝缘处理可防止电弧，却也阻止了净电荷在表面的驻留？

主要发现

• 在低至-300 V的电压下观察到微小电弧，导致测试物体出现如焊料爆炸等物理损伤。
• 对航天器表面进行绝缘处理可有效消除电弧，并显著提高在等离子体环境中的电荷保持能力。
• 尽管电荷稳定性得到改善，但绝缘层阻止了航天器表面净电荷的建立，从而限制了洛伦兹力的产生。
• 发现维持电荷平衡所需的功率与电容成正比，表明航天器尺寸与能量成本之间存在直接关系。
• 放射性（Am-241）和铁电材料是可行的充电候选材料，但其实际应用仍需进一步优化。
• 实验结果证实了洛伦兹驱动在轨道控制方面的理论潜力，但也突显了在无电弧情况下维持稳定高压电荷的关键挑战。