In the coming decade, large space structures with high-power sources will be orbiting the Earth at ionospheric altitudes. Exposed voltages on any part of the structure will cause a current flow between the exposed element and the ambient plasma, which in turn may cause a power loss or arcing. In an effort to better understand high-voltage current collection, a series of rocket and laboratory experiments will be conducted whereby, initially, positive high-voltage spheres will be exposed to an ambient plasma. In support of this program, the authors have solved the time-dependent nonlinear fluid equations for ions and electrons and the Poisson equation in order to study the response of a plasma to positive high-voltage spheres. Simulations were conducted for a range of voltages and for both low and high density surrounding plasmas. In all of the simulations, the sheath and current collection were found to be highly dynamical and the plasma response exhibited four distinct phases. The phases include a rapid initial current surge, the formation and subsequent propagation of both ion and electron density shells away from the sphere, a burst of localized large-amplitude wave activity, and eventually a quasi-steady state. The steady state results are consistent with the classical Langmuir-Blodgett theory.
今後10年間で、高出力源を備えた大型宇宙構造物が電離圏高度で地球を周回することになる。構造物のどの部分でも露出した電圧は、露出した要素と周囲のプラズマとの間に電流の流れを引き起こし、それが電力損失やアーク放電を引き起こす可能性がある。高電圧電流収集をよりよく理解するために、一連のロケットおよび実験室実験が実施される予定であり、その際、最初に正の高電圧球体が周囲のプラズマに曝されることになる。このプログラムを支援するため、著者らは、正の高電圧球体に対するプラズマの応答を研究するために、イオンと電子の時間依存非線形流体方程式とポアソン方程式を解いた。シミュレーションは、さまざまな電圧範囲と、低密度および高密度の周囲プラズマの両方について実施された。すべてのシミュレーションにおいて、シースと電流収集は非常に動的であることが判明し、プラズマ応答は4つの明確な段階を示した。その段階には、急速な初期電流サージ、球体から離れるイオンおよび電子密度シェルの形成とその後の伝播、局所的な大振幅波動活動のバースト、そして最終的には準定常状態が含まれる。定常状態の結果は、古典的なラングミュア・ブロジェット理論と一致している。