Ανάπτυξη αλγορίθμων αξιολόγησης μαγνητικής συμπεριφοράς διαστημικού εξοπλισμού σε χαμηλές συχνότητες με έμφαση στα μεταβατικά φαινόμενα

Abstract

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθόδων και τεχνικών που έχουν ως στόχο να μελετήσουν και να χαρακτηρίσουν μαγνητικές πηγές με στόχο την επίτευξη μαγνητικής καθαρότητας σε διαστημικές αποστολές. Συγκεκριμένα, αναπτύσσονται αλγόριθμοι για την μελέτη και μοντελοποίηση μαγνητικών πηγών που βρίσκονται εντός του διαστημοπλοίου χρησιμοποιώντας μετρήσεις κοντινού μαγνητικού πεδίου. Οι προτεινόμενες μέθοδοι επαληθεύονται με πραγματικές μετρήσεις από συσκευές που αποτελούν εξοπλισμό διαστημικών σκαφών. Τελικά, τα παραγόμενα ισοδύναμα μαγνητικά μοντέλα είναι ικανά να αναπαράγουν το μετρούμενο μαγνητικό πεδίο και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να υπολογιστούν οι μαγνητικές εκπομπές της εξεταζόμενης συσκευής στα σημεία ενδιαφέροντος του διαστημοπλοίου όπου απαιτείται μαγνητική καθαρότητα. Αρχικά, στο κεφάλαιο 1, αναλύονται οι έννοιες της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας και της μαγνητικής καθαρότητας και στη συνέχεια παρουσιάζονται ήδη υπάρχουσες τεχνικές για τη μελέτη και μοντελοποίηση των μαγνητικών πηγών. Έπειτα, στο κεφάλαιο 2, παρατίθεται όλο το μαθηματικό υπόβαθρο πάνω στο οποίο στηρίζεται η παρούσα μελέτη και περιλαμβάνει τους απαραίτητους φυσικούς νόμους και προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται. Στο κεφάλαιο 3, παρουσιάζεται το φαινόμενο της μαγνητικής δύναμης που αναπτύσσεται στα πλαίσια διαστημικών αποστολών. Αφού περιγραφεί θεωρητικά πλήρως το φαινόμενο αυτό, πραγματοποιούνται προσομοιώσεις με εικονικές μαγνητικές πηγές θεωρώντας κατάλληλες μαγνητικές ροπές που αντιστοιχούν σε βασικά σενάρια. Στη συνέχεια, στο κεφάλαιο 4, εξετάζεται η μαγνητική υπογραφή των συσκευών σε κατάσταση συνεχούς λειτουργίας. Συγκεκριμένα, παρουσιάζεται μια μεθοδολογία επεξεργασίας του παραγόμενου μαγνητικού πεδίου και μοντελοποίησης του με βάση μετρήσεις μαγνητικών εκπομπών κοντινού πεδίου της συσκευής, επεκτείνοντας ήδη υπάρχουσες και επικυρωμένες τεχνικές. Στο τέλος, η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόζεται σε μαγνητικές μετρήσεις πραγματικού διαστημικού εξοπλισμού. Στο κεφάλαιο 5, μελετάται η μαγνητική συμπεριφορά συσκευών κατά τη μεταβατική τους λειτουργία. Αρχικά, παρουσιάζεται μια προτεινόμενη προσέγγιση που έχει ως στόχο την παραγωγή ενός ισοδύναμου μοντέλου για τον προσδιορισμό των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των μεταβατικών φαινομένων. Για την περιγραφή ενός μεταβατικού φαινομένου χρησιμοποιούνται δύο τρόποι μοντελοποίησης. Ο ένας τρόπος βασίζεται στην πρόβλεψη ενός μοντέλου τραπεζοειδών παλμών ικανών να αναπαραστήσει τις 8 μαγνητικές εκπομπές της συσκευής. Ο δεύτερος τρόπος στοχεύει στην εκτίμηση ενός μοντέλου φασματικών ορίων τα οποία περικλείουν το μετρούμενο μαγνητικό πεδίο, αποτελώντας έτσι μια εκτίμηση των μέγιστων μαγνητικών εκπομπών της εκάστοτε εξεταζόμενης συσκευής. Η αποτελεσματικότητα των δύο αυτών τρόπων μοντελοποίησης επιβεβαιώνεται με τη βοήθεια πραγματικών μετρήσεων συσκευών που χρησιμοποιούνται σε διαστημικές αποστολές. Ακολούθως, στο κεφάλαιο 6, εξετάζεται η επαγόμενη μαγνήτιση μαγνητικών πηγών όπως αυτή προκύπτει με την εφαρμογή γνωστού εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Η μεθοδολογία που παρουσιάστηκε στο κεφάλαιο 4 εφαρμόζεται και στην περίπτωση της επαγόμενης μαγνήτισης ώστε να προσδιοριστεί ένα μοντέλο κατάλληλο για να περιγράψει τη συμπεριφορά αυτή με τη χρήση μαγνητικών δίπολων. Τέλος, στο κεφάλαιο 7, παρουσιάζεται η μέθοδος μοντελοποίησης μαγνητικών πηγών η οποία λαμβάνει υπόψιν τη συνεισφορά του επιπέδου γείωσης που δύναται να είναι παρόν κατά τη διάρκεια των μαγνητικών μετρήσεων μιας συσκευής στο χαμηλό εύρος συχνοτήτων. Γι’ αυτόν τον σκοπό, ο αλγόριθμος μοντελοποίησης χρησιμοποιεί τη θεωρία των ειδώλων, ώστε το παραγόμενο μοντέλο δίπολων να είναι αποσυσχετισμένο από τη μετρητική διάταξη. Τελικά, η προτεινόμενη προσέγγιση εφαρμόζεται με επιτυχία σε μαγνητικές μετρήσεις πηγών με γνωστά χαρακτηριστικά.