Вследствие сильной неравновесности процесса обтекания тел крайне разреженной космической плазмой, корректная математическая постановка задач плазменной аэродинамики может быть достигнута только на основе использования системы кинетических уравнений Власова для функций распределения компонент плазмы, рассмотренных совместно с уравнениями Максвелла для самосогласованных электрического и магнитного полей. В отличие от предшествующих работ по динамике в в разреженной плазме тел с потенциалами порядка единиц вольт (до которых заряжаются космические аппараты в обычных плазменных условиях) основное внимание в работах Е.К.Колесникова было сосредоточено на исследовании динамики в космической плазме сильно заряженных тел с потенциалами порядка 1 – 10 кВ, до которых, как показали результаты бортовых измерений, могут заряжаться космические аппараты, движущиеся как низких, так и на высоких околоземных орбитах. При этом, наряду с разработкой методов расчета силы плазменного сопротивления в этих экстремальных случаях [1] были проведены исследования, направленные на определение основных особенностей возмущающего воздействия на орбитальное движение сильно заряженного тела в околоземном космическом пространстве (ОКП) силы Лоренца, действующей со стороны магнитного поля Земли. В частности, с использованием методов качественной теории гамильтоновых систем, развитых в работах Колмогорова-Арнольда-Мозера (т.н. КАМ - теории), доказано существования, квазиинтегралов, гарантирующих вечное сохранение формы и угла наклона к плоскости магнитного экватора эллиптической орбиты тела с постоянным зарядом, прецессирующей вокруг магнитной оси в результате возмущающего воздействия силы Лоренца , действующей со стороны дипольного магнитного поля [2]. Важным практическим приложением указанных исследований явилось применение полученных результатов при решении задачи высокоточного прогноза орбитального движения высотных навигационных спутников с учетом их сильной электростатической зарядки во время магнитосферных суббурь [3, 4].
С середины 80-х годов основным направлением исследований Е.К.Колесникова в области механики разреженной плазмы стала разработка методов решения задач определения самосогласованных электрических и магнитных полей и распределения плазмы в окрестности искусственных и естественных космических объектов, возникающих, в частности, в связи с определением условий функционирования служебной и научной аппаратуры космических аппаратов. При этом основное внимание было сосредоточено на теоретическом определении условий возникновения явления сильной электростатической зарядки (СЭЗ) космических аппаратов (КА) в околоземном космическом пространстве, которое, наряду с уже отмеченным воздействием на динамику орбитального движения в ОКП, может приводить и к другим неприятным последствиям, таким как возникновение электрических разрядов, вызывающим выгорание и оплавление отдельных участков поверхности КА, растрескивание металлизации электровакуумной изоляции и др.
В плазменных условиях околоземного космического пространства явление СЭЗ обычно возникает при попадании КА в интенсивные потоки электронов естественного происхождения различной природы. Необходимым условием СЭЗ в потоке высокоэнергетичных электронов является малость скорости стока с тела отрицательного электрического заряда, обусловленного фотоэмиссией и потоком на тело ионов из космической плазмы. Это условие может иметь место на теневом участке орбиты при малой плотности фоновой плазмы (а также в случае особой геометрии и ориентации тела, обеспечивающих снижение собираемого его поверхностью потока ионов [5]). Явление сильной электростатической зарядки может возникать и при проведении экспериментов по инжекции с борта КА интенсивных пучков заряженных частиц. В работе [6] разработана методика расчета электрического поля, индуцируемого в окрестности космического аппарата сферической формы, инжектирующего стационарный релятивистский электронный пучок. Как показывает результаты расчетов, в плазменных условиях, характерных для высоких околоземных орбит, при инжекции пучка может иметь место электростатическая зарядка КА до потенциала порядка единиц МВ и более. В работе [7] разработана методика расчета напряженности электрического поля, индуцируемого у поверхности КА цилиндрической формы, покоящегося в бесстолкновительной плазме в однородном магнитном поле, при заданном стоке заряда с его поверхности, моделирующем потерю цилиндром отрицательного заряда в результате инжекции электронного пучка.
Вторым направлением исследований взаимодействия тел с космической плазмой является разработка методов расчета электрического поля у поверхности безатмосферных небесных тел (Луны, астероидов, спутников Марса и др.). Известно, что в результате взаимодействия поверхностного слоя грунта безатмосферного небесного тела с плазмой солнечного ветра, ультрафиолетовым и рентгеновским излучениями Солнца (приводящим к эмиссии фотоэлектронов), освещенные участки поверхности небесного тела приобретают электрический заряд, который в обычных условиях является положительным. Вследствие перечисленных процессов образуется фотоэлектронный слой, который удерживается у положительно заряженной поверхности небесного тела. В работах [8, 10] разработана методика решения задачи о высотном ходе электрического поля вблизи поверхности безатмосферного тела в предположении о немонотонном характере изменения электрического потенциала. С использованием указанной методики произведен расчет высотного хода потенциала электрического поля над поверхностью Луны, результаты которого показывают, что при нормальных параметрах солнечного ветра и средней солнечной активности поверхность Луны заряжается до положительного потенциала близкого к 10 В, а толщина фотоэлектронного слоя, в которм локализовано приповерхностное электрическое поле, рана примерно 15 м. Особенно сильные электрические поля должны возникать вблизи участков поверхности безатмосферного небесного тела, покрытых монослоем соединений водорода. Такого рода монослой может образовываться в результате прилипания к поверхности небесного тела нейтрализованных протонов солнечного ветра, что должно приводить к существенному увеличению фотоэмиссионной способности поверхностного слоя грунта. В работе [9] решена задача о высотном ходе потенциала и напряженности электрического поля над участком поверхности Луны, покрытым монослоем соединений водорода. Результаты расчетов, приведенные в [9] , показывают, что в рассматриваемом случае при средней солнечной активности напряженность электрического плоя у поверхности Луны может достигать значений порядка 1 кВ/м.
Электрическое поле, индуцируемое вблизи поверхности безатмосферного небесного тела, может приводить к явлениям электростатической левитации и электростатического переноса пылевых частиц поверхностного слоя грунта. На существование этих явления указывают данные наблюдений на лунных посадочных и орбитальных аппаратах. Исследование указанных явлений имеет важное значения для понимания физических механизмов формирования современного состояния поверхностного слоя грунта безатмосферных небесных тел. Кроме того, исследования в этом направлении имеют и прикладное значение, поскольку электростатическая левитация и электростатический перенос пылевых частиц могут создать помехи для научной и служебной аппаратуры космических аппаратов, работающих на поверхности Луны и других безатмосферных небесных тел. Особенную актуальность прикладной аспект рассматриваемой проблемы приобрел в последние годы в связи с началом реализации целым рядом стран программ по созданию на Луне постоянно действующей базы. В работе [11] разработана математическая модель, описывающая явление электростатической левитации пылевых частиц над участком поверхности небесного тела с обычной фотоэмиссионной способностью. Получены расчетные данные, показывающие, что при средней солнечной активности и нормальных параметрах солнечного ветра в районе лунного терминатора возможна электростатическая левитация частиц поверхностного слоя лунного грунта субмикронных размеров. В работах [12, 13] разработана математическая модель явления электростатической левитации пылевых частиц над участком поверхности небесного тела, покрытым монослоем соединений водорода. С использованием указанной модели показана принципиальная возможность электростатического горизонтального переноса субмикронных частиц лунного реголита, левитирующих в районе терминатора, на расстояния в сотни километров [13].