В условиях входа космических аппаратов в атмосферу при гиперзвуковых скоростях выделяется огромное количество тепла, которое не только предъявляет высокие требования по тепловым нагрузкам к материалам спускаемого аппарата, но и приводит к образованию плазмы вокруг СКА.
Это блокирует (вернее говоря искажает) радиосигналы- в результате чего космический аппарат не в состоянии общаться со своими наземными станциями в течение нескольких минут.
Задача обеспечения устойчивой радиосвязи со спускаемыми космическими аппаратами стоит весьма остро.
Не менее актуальна задача и в военном аспекте: РГСН гиперзвуковых ракет и боевых блоков МБР.На пример 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:
Как самый актуальный пример — потеря связи и телеметрии при тестовых пусках USAF X-51A Scramjet.
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.
Использованы документы, фотографии и видео:
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
