IT9009534A1 - Dispositivo a cannone elettronico per il controllo del potenziale di un corpo nello spazio. - Google Patents

Description

"DISPOSITIVO A CANNONE ELETTRONICO PER IL CONTROLLO DEL POTENZIALE DI UN CORPO NELLO SPAZIO"

DESCRIZIONE

I cannoni elettronici forniscono un efficace mezzo per espellere da un corpo, per esempio da un veicolo spaziale orbitante, gli accumuli di carica negativa che possono venire a formarsi su di esso sia per fenomeni fisici già studiati e verificati in pratica [Henry Berry Garret, THE CHARGING OF SPACECRAFT SURFACES, Reviews of Geophysics and Space Physics, Voi.

19 NO 4, pages 577+616, November 1981], sia in conseguenza ad esperimenti e operazioni compiuti dall'uomo [NASA, TETHERS IN SPACE HANDBOOK - Second Edìtion May 1989].

Tale funzione si rende necessaria poiché l'assunzione (da parte di un veicolo orbitante) di un potenziale negativo rispetto all'ambiente circostante (qui inteso a potenziale zero) è in molti casi un fatto indesiderato in quanto implica sia la possibilità di scariche elettriche tra veicolo e ambiente o tra veicoli in fase di accoppiamento (docking) e quind danni e/o disturbi alle strutture e/o apparecchiature, con particolare riferimento alle apparecchiature elettroniche, sia l'alterazione delle preesistenti condizioni ambientali (corpo a potenziale zero) riducendo la significatività di particolari esperimenti scientif ici.

Altri dispositivi (plasma contactor) attualmente usati in campo spaziale per la limitazione del potenziale di un veicolo rispetto all'ambiente circostante (plasma), emettono durante il loro funzionamento un plasma costituito da ioni, elettroni e neutri di gas (es. Xe, Ar), ed il loro impiego non è pertanto praticabile nei casi in cui si vuole minimizzare l'alterazione delle condizioni ambientali preesistenti .

In questi casi è vantaggioso l'impiego di un cannone elettronico, il quale emette soltanto elettroni ed è inoltre regolabile (tramite la tensione di accelerazione) . Tramite questo dispositivo è infatti possibile espellere in maniera controllata e controllabile da un veicolo spaziale (o più in generale, da un corpo) cariche negative e quindi condizionarne il potenziale. Le cariche negative sono estratte dal veicolo ed immesse nel plasma circostante tramite 1'emissione di un fascio elettronico da parte del cannone, opportunamente connesso elettricamente al veicolo. L'emissione di fascio elettronico deve avvenire quando il cannone si trova in opportune condizioni di vuoto, e può essere quindi vantaggiosamente utilizzata in campo spaziale.

E' oggetto dell'invenzione un particolare modo di impiegare un cannone elettronico per il condizionamento del potenziale di un corpo, con riferimento d'ora in poi, non limitativo, ad un veicolo spaziale.

I sistemi finora utilizzati (Fig 1) prevedono l'interposizione di un alimentatore (G) tra il catodo (K) del cannone ed il veicolo (C) (come esemplificato in Fig.l), allo scopo di portare e mantenere il catodo (K) ad un potenziale negativo rispetto al veicolo (C). L'elettrodo o gli elettrodi acceleranti (E) sono connessi al potenziale del veicolo (C). In tale configurazione l'alimentatore (G) impiegato per stabilire tra elettrodi acceleranti (E) e catodo (K) una differenza di potenziale accelerante gli elettroni, deve fornire la totalità della corrente elettronica emessa dal catodo (K). Inoltre il sistema cannonealimentatore deve essere gestito da una intelligenza esterna che ne comandi i tempi di funzionamento ed i modi di utilizzo, onde evitare una espulsione incontrollata di cariche negative, che potrebbe anche per esempio, portare addirittura il veicolo a potenziali positivi rispetto all'ambiente circostante (A), di livello pari alla differenza di potenziale accelerante imposta tra veicolo e catodo. Tale evenienza, già sperimentata in pratica, implica nuovamente gli inconvenienti già citati (pericolo di scariche elettriche, alterazioni di parametri fisici dal sistema veicolo-ambiente).

E' oggetto dell'invenzione una diversa configurazione del sistema veicolo-cannone, che consente l'espulsione automatica dal corpo verso l'anodo (che può essere l'ambiente) delle eccedenze di cariche negative, eliminando la necessità di gestione del sistema da parte di una intelligenza dedicata e riducendo inoltre drasticamente la potenza dell'alimentatore che stabilisce la tensione di accelerazione tra l'elettrodo o ciascun elettrodo accelerante, ed il catodo.

Le caratteristiche principali dell'invenzione sono riferite nelle Rivendicazioni trovantisi in calce alla descrizione.

I disegni allegati mostrano: in

Fig 1 una configurazione tradizionale; in Fig 2 una configurazione fondamentale secondo 1 <1 >invenzione; in

Fig 3 una configurazione con anodo sotto forma di un ulteriore corpo; in

Fig 4 l'impiego del trovato in un sistema "tethered" (o guinzaglio); in

Fig 5 una soluzione con commutatore.

La configurazione innovativa (fig.2) prevede una connessione elettrica diretta tra catodo (K) e corpo (C) da controllare (ci si riferisce in seguito ancora ad un veicolo spaziale) , ed un generatore di tensione accelerante (G) connesso direttamente tra elettrodo o elettrodi d'accelerazione (E) e catodo (K). L'invenzione prevede quindi il catodo (K) a potenziale di veicolo (C) e l'elettrodo o gli elettrodi d'accelerazione (E) a potenziale positivo (la tensione accelerante) rispetto al veicolo (C) . Più in generale potranno essere presenti più elettrodi di accelerazione, ciascuno al propria potenziale positivo rispetto al catodo.

Il salto di potenziale che interessa alla fine gli elettroni emessi dal catodo è comunque la differenza di potenziale tra il catodo (K) e la destinazione finale degli elettroni stessi, sia essa l'ambiente circostante (A) od altra entità fisica. L'effettivo raggiungimento da parte del fascio elettronico della destinazione finale (cioè espulsione senza ritorno sul veicolo) è legato pertanto all'essere il veicolo (C) ad un potenziale negativo rispetto a quello dell'ambiente circostante (A). All'attenuarsi o al cessare della differenza di potenziale negativa, (veicolo negativo rispetto all'ambiente), l'espulsione di elettroni (cariche negative) si attenua o si interrompe; pertanto il sistema descritto si autoregola. La configurazione oggetto della presente invenzione consente quindi una prevenzione dei fenomeni di caricamento negativo da parte di un veicolo spaziale, ed una limitazione di tali fenomeni durante transitori nei quali cariche raccolte dal veicolo superino la capacità emissiva del cannone. Tali funzioni sono svolte automaticamente, essendo sufficiente mantenere in stato attivato i vari servizi del cannone (comprendenti generatore di tensione di accelerazione, riscaldamento del catodo, eventuale focalizzazione) . Nella configurazione descritta il generatore di tensione di accelerazione fornisce solo la corrente intercettata dagli elettrodi di accelerazione (leakage) anziché la totalità della corrente emessa dal catodo, consentendo l'impiego di una potenza per esempio il 10% di quella necessaria nella configurazione tradizionale, considerando un cannone con efficienza del 90% (intendendo come efficienza il rapporto tra la corrente di fascio a valle degli elettrodi acceleranti e la corrente emessa dal catodo).

In conclusione, l'utilizzo di un sistema configurato come nella presente invenzione è vantaggioso in guanto consente in particolare un risparmio di energia e un risparmio globale di risorse hardware e software, molto importante nel caso di applicazioni spaziali per il conseguente risparmio in termini di budget energetico e di massa, per la diminuzione della complessità e conseguente aumento di affidabilità.

Il trovato è applicabile in generale in sistemi comprendenti un corpo ed un cannone elettronico (con i suoi servizi), purché il cannone elettronico si trovi in adeguate condizioni di vuoto e quindi in particolare in sistemi spaziali. La connessione elettrica tra corpo e catodo del cannone può essere di qualsiasi lunghezza e realizzata secondo qualsiasi tecnologia. Il cannone può essere installato direttamente sul corpo oppure esserne fisicamente distante e ad esso connesso via cavo. In questo secondo caso il sistema tenderà ad annullare eventuali potenziali negativi del corpo rispetto al potenziale dell'ambiente circostante il cannone o comunque dell'entità fisica che funge da destinazione finale (anodo) del fascio elettronico. Il controllo del potenziale di un corpo può essere pertanto effettuato con un cannone elettronico posto a distanza, effettuando una connessione elettrica tra i due. Nel caso di un veicolo spaziale frazionato in più parti metalliche con interposizione tra di esse di materiali isolanti, si dovrà connettere al catodo del cannone la parte metallica che si vuole controllare. L'anodo potrà essere l'ambiente circostante oppure un'altra porzione del veicolo stesso.

Più in generale, l'anodo potrà essere un secondo veicolo spaziale. Il trovato è applicabile a sistemi comprendenti cannoni elettronici realizzati con qualunque tecnologia. Il catodo può essere ricavato sul corpo stesso; in tal caso può non essere necessaria una connessione elettrica. Il cannone può essere dotato di uno o più elettrodi acceleranti, mantenuti allo stesso potenziale accelerante o a potenziali diversi. La scelta del potenziale o dei potenziali acceleranti da applicare al relativo od ai relativi elettrodi determina la massima corrente di fascio che il dispositivo può emettere. Può essere presente o meno un sistema di focalizzazione del fascio elettronico, a seconda delle necessità e dei requisiti particolari.

L'attivazione della funzione di controllo del potenziale di un corpo nei vari casi descritti avviene non appena il catodo è operativo ed i servizi del cannone sono attivati. E' possibile interdire e ripristinare la funzione riferita evitando di spegnere e riaccendere ogni volta i servizi del cannone, tramite un commutatore (CO) connesso come in fig.5, per commutare l'apposito elettrodo accelerante (EX) sulla tensione del generatore (GX) o sulla tensione del corpo (CX), onde consentire una modulazione ON-OFF del fascio. L'impiego della configurazione descritta in fig.5 consente pertanto l'attivazione (fascio ON) e la disattivazione (fascio OFF) della funzione di controllo del potenziale di un corpo, oppure l'espletamento di tale funzione tramite un fascio impulsato ON-OFF. Il commutatore (CO) è analogo a quanto previsto in una domanda copendente.

Riferendosi ora ai disegni, la fig.l mostra la configurazione finora utilizzata. Il riscaldatore R fornisce la potenza necessaria a portare il catodo K alla temperatura operativa. L'alimentatore G fornisce all'elettrodo o agli elettrodi acceleranti E la tensione di accelerazione VE - V^. Sull'ascissa pi è riportato l'andamento del potenziale quando il potenziale del corpo C è tale che VE < V3⁄4. Sull'ascissa p2 è riportata la situazione di equilibrio (VR = VA): si vede che il sistema tende a portare il corpo C a potenziale Vc > VA.

La fig 2 mostra la configurazione oggetto della presente invenzione. Si vede che all'equilibrio VK = VA è anche VQ = VA. L'esemplificazione fatta è relativa ad una situazione finale di equilibrio (ascissa p2) raggiunta a partire da una situazione perturbata (ascissa pi). La funzione di controllo del potenziale del corpo è in effetti espletata in tempo reale in modo da prevenire o almeno limitare il discostarsi del corpo dalla situazione di equilibrio in quegli intervalli di tempo nei quali il corpo stesso raccoglie cariche negative da smaltire.

In fig 3 è mostrato il caso in cui l'anodo A è la superficie di un corpo C2 affacciato al cannone (connesso al corpo Cl). In questo caso la condizione alla quale tende il sistema, nel caso che si verifichi VC1 < <V>C2' <è V>C1 <“ V>C2*

La fig 4 mostra un sistema "tethered" STE, costituito da satellite ST, veicolo CS, tether (guinzaglio) TE. Il cannone CA riemette nel plasma la corrente IT che fluisce nel tether TE, salvo la parte IL! intercettata dai suoi elettrodi acceleranti. Quest'ultima tende a caricare il veicolo C3 negativamente, rendendo necessario l'impiego di un dispositivo di neutralizzazione che può essere il cannone CB connesso e condizionato come nella presente invenzione con un gruppo G3.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1) Un dispositivo per la prevenzione e/o limitazione automatica di potenziali negativi (rispetto all'ambiente circostante), di un corpo o veicolo spaziale (C) o parte di esso, comprendente (Fig 2) un cannone elettronico con catodo (K) ed elettrodo o elettrodi acceleranti (E), un generatore di tensione positiva (continua e/o impulsata) di accelerazione (G), un generatore (R) per il riscaldamento del catodo, caratterizzato da una connessione elettrica diretta tra catodo (K) e veicolo (C) o parte di esso, e dal posizionamento del generatore di tensione (G) fra catodo ed il o gli elettrodi (E) (Fig 2); il dispositivo potendo essere installato sul veicolo o su una sua propaggine ed opportunamente orientato.
2. 2) Dispositivo come da rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di essere disposto ed utilizzato in modo da limitare il potenziale negativo di una porzione di veicolo spaziale (catodo) rispetto ad un'altra porzione del veicolo stesso (anodo) isolata dalla prima.
3. 3) Dispositivo come da rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere disposto ed utilizzato per limitare il potenziale negativo di un veicolo spaziale (Cl) (catodo) rispetto ad un altro veicolo spaziale (anodo) (C2), (Fig 3).
4. 4) Dispositivo come da rivendicazione 1), caratterizzato dall'essere connesso ad un veicolo (C3) facente parte di un sistema tethered (STE), con la funzione di riemettere dal veicolo (C3) verso il plasma cariche negative dovute sia a collezione naturale del veicolo sia (Fig 4) ad esperimenti fatti sul sistema tethered (STE) con iniezione di cariche negative sul veicolo (C3) stesso.
5. 5) Dispositivo come almeno da rivendicazione l), caratterizzato dal fatto che il cannone può essere distanziato dal corpo e ad esso connesso via cavo.
6. 6) Dispositivo come da una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un commutatore (CO) per portare ad un elettrodo accelerante (EX) il potenziale del corpo (CX) o quello del generatore (GX) (Fig 5).
7. 7) Dispositivo come da rivendicazione 1), utilizzato in generale per la prevenzione e/o limitazione automatica di potenziali negativi di un corpo o di una sua frazione rispetto all'ambiente circostante od altro corpo.