При быстром гиперзвуковом входе космических аппаратов (СКА) в атмосферу происходит интенсивное выделение тепла. Это создает серьезные тепловые нагрузки на материалы спускаемого аппарата и приводит к активному образованию плазмы вокруг него. Последнее искажает радиосигналы, что всегда делает невозможной связь СКА со всеми наземными станциями в течение нескольких минут. Обеспечение устойчивой радиосвязи во время входа в атмосферу является актуальной задачей. Вход в атмосферу – это фаза полета космического аппарата, характеризующаяся преодолением им плотных слоев атмосферы. Вследствие аэродинамического сопротивления нагрев внешней поверхности аппарата достигает критических температур. Для успешного преодоления этой фазы необходима тепловая защита, как правило, абляционного типа.

Не менее актуальна задача и в военном аспекте: РГСН гиперзвуковых ракет и боевых блоков МБР. Например для:

3М-22 («Циркон»):

Объект 4202 (Ю-71):

Радиолокация и радиосвязь через «такую» плазму не работают: суммарная мощность потерь электромагнитной энергии и радиошумовое излучение практически полностью определяющие уменьшение энергетического потенциала радиоканала связи в целом, существенно возрастают и предопределяют потерю радиосвязи на траектории спуска.

Феномен обрыва связи при входе в атмосферу был открыт во время проекта «Меркурий», а затем программ «Джемини» и «Аполлон». Он проявляется на высоте снижения около 90 километров и до отметки в 40 километров — в результате быстрого нагрева поверхности падающей в атмосфере капсулы на ее поверхности образуется облако- плёнка плазмы, выступающая своего рода электромагнитным экраном.

Эффект назван (не официально) Radio Silence During Fiery Re-Entry. В конце фильма «Аполло-13», в котором представлена неудавшаяся лунная миссия с тремя астронавтами на его борту, у зрителей возникает напряженность, которая связана с входом космического корабля в земную атмосферу. Именно в этот момент с кораблем прерывается связь, и операторы полета в американском Хьюстоне начинают нервно курить в эти бесконечно долго тянущиеся мучительные секунды. В этот момент космический корабль входит в атмосферу на второй космической скорости, что приводит к окружению его горячим ионизированным воздухом, вследствие чего прерывается связь с Землей.

Что-бы было понятнее представлю видео входа в атмосферу СКА Союз ТМА-13М:

Предпринималось несколько попыток решить данную проблему:

1. Советский подход (реализован).

• Слабонаправленные СВЧ излучатели- бортовых антенн с разогретой теплозащитой и расплавом материала на теплозащите.
• Бортовые антенны с теплозащитой, оригинальные конструкции которых обладают пониженной чувствительностью своей радиопрозрачности к воздействию высокотемпературного аэродинамического нагрева.
• Способы радиопросветления АО для условий аэродинамического нагрева, обеспечивающих уменьшение потерь в нагретом АО.
• Использование «длинных» теплостойких антенны, вынесенных за плёнку плазменной оболочки.
  

2. Китайский подход (проект)

Усиление сигнала, которое может быть создано резонансом, или согласованными электромагнитными колебаниями, между плазменной оболочки и окружающим, летательный аппарат, специальным слоем. Ученые Поднебесной предлагают добавить «согласующий слой» для создания нужных резонансных условий во время обычного гиперзвукового полета.

Предполагается, что согласующий слой будет работать как конденсатор в обычной электрической цепи. Плазменная оболочка, с другой стороны, действует как катушка индуктивности, которая препятствует изменениям электрического тока, проходящего через нее. Когда конденсатор и катушка индуктивности соединены вместе, они могут образовывать резонансный контур.

Как только резонанс будет достигнут, энергия начнет устойчиво циркулировать между плазмой и согласующим слоем, как в случае обычной емкости и индуктивности в электрической цепи. В результате поступающий радиосигнал с Земли может распространяться через согласующий слой и плазменную оболочку, как вроде их и не существует.

Примечание: для эффективной работы этого подхода толщина согласующего слоя и плазменной оболочки должна быть меньше, чем длина электромагнитных волн, используемых для коммуникации с летательным аппаратом.

Как следствие -предложенный метод не будет работать, если частотный диапазон антенн будет слишком высоким, как в настоящее время.

3. Американский подход

В эпоху Space Shuttle, проблема была частично решена с помощью формы многоразового корабля. Его аэродинамическая конструкция порождала области с более низкой плотностью потока плазмы, что позволяет осуществлять ограниченную коммуникацию: спускаемый аппарат -ЦУП на некоторых участках траектории.

Примечание: такие факторы, как угол входа в атмосферу спускаемого аппарата, его скорость (обычно Мах 20-25), и его аэродинамическая форма влияют на плотность потока ионизированный газ.

Германский аэрокосмический центр (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR) совместно с исследователями из Стэнфордского университета (Stanford University in California) провели достаточно успешные испытания новой технологии, которая в перспективе избавит космонавтов от обрыва связи при входе в атмосферу и возможно обеспечит функционирование бортовых локаторов ГСН для гиперзвуковы ракет или боевых блоков.

В январе 2016 года совместный стартап осуществил эксперименты с положительными результатами.

Для тестов использовалась аэродинамическая труба сверх- и гиперзвуковых технологий Департамента DLR в Институте аэродинамики и технологии Flow в Кельне и дуговой нагреватель большой мощности для создания плазмы.

Реальные условия испытаний были воссозданы на основании математических моделей американских ученых из Стэнфордского университета, во главе с Siddarth Krishnamoorthy. Испытательное устройство (имитатор спускаемого аппарата), состоящее из теплового экрана и передающего теплостойкого радио-устройства (передатчик) подвергали воздействию потока плазмы, нагретой до нескольких тысяч градусов.

Антенна для приема радиосигналов была установлена за пределами потока горячего газа.

Суть идеи: в непосредственной близости от антенны передатчика генерируется отрицательное поле напряжения, которое отталкивает ионизированный поток плазмы (отрицательные ионы и электроны), тем самым открывая окно в плазменном коконе для радиосигналов.

Это окно не может существовать открытым долгое время, так как:

— Плёнка плазмы не стационарна относительно объекта из- за больших скоростей потока.

— В плазме есть и положительно заряженные ионы, которые с «большим удовольствием» притянутся к генератору отрицательного поля.

Поэтому напряжение пульсирует генерируется импульсно: каждые несколько миллисекунд. Этого интервала достаточно, чтобы обеспечить передачу и прием данных.

До сих пор, метод радиосвязи через плазменную оболочку с использованием импульсного электрического поля был разработан лишь в численном моделировании.

Сам Кришнамурти впечатлён простотой и скоростью сотрудничества: «Уже через три месяца, мы имели возможность протестировать наши методику на практике и, одновременно, получили имеющие данные и наработки от DLR в этой области.»

Ali Gulhan, заведующий кафедрой Supersonic and Hypersonic Technology, имеет столь же позитивное мнение: «Сотрудничество между DLR и Стэнфордским университетом представляет собой идеальную основу для решения проблемы нарушения связи со спускаемым космическим аппаратом.”

Технология радиосвязи будет еще больше усовершенствована и адаптирована для использования не только в новых, но и в уже существующих космических аппаратах.

Некоторые термины:

• АО-антенное окно.
• СКА(КА, СА)- спускаемый космический аппарат(в вариациях)
• ГСН- головка самонаведения.
• РГСН(АРГСН)- радиолокационная ГСН.

Повышение эффективности функционирования бортовых радиотехнических систем связи спускаемых космических аппаратов (тема диссертации и автореферата по ВАК 05.12.07, кандидат технических наук Кордеро, Либорио)

Автор: @AntoBro
Источник: https://habr.com/