Победа над плазмой — новый метод для связи с космическим аппаратом

Das ist unmöglich! Но они это сделали. Немцы умудрились покорить плазменную глухоту, немоту и, вероятно, слепоту до кучи.

На TopWar много писалось и дискутировалось о плазме, гиперзвуке и радионепрозрачности для падающих боеголовок. О "плазмостелсах СССР", впрочем, тоже шли горячие баталии.

Иногда и статьи, и баталии доходили до абсурда.


Предисловие, которое займёт почти 2/3 статьи. Но оно необходимо. Иначе - никак.

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. Например, для:
3М-22 («Циркон»)/на фото дем.макет BrahMos-II, но вряд ли 3М-22 будет отличаться.


Объект 4202 (Ю-71) (Так его представляет товарищ Коротченко).


Или как его представляет Washington Times:


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, связанная со 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.

Чтобы 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.


Ху из эта "плазма" и откуда она берётся? Предлагаю домашние заготовки:
1. Вариант, предложенный моим визави, уважаемым "жолдош" (использован киргизский язык - я не ругался, банить не надо) ОПЕРАТОРом (орфография и стилистика сохранены):

в обсуждении статьи: О начале морских испытаний гиперзвуковых ракет "Циркон"
Это не совсем верно, но приемлемо. На самом деле всё сложнее.
2. Вариант мой (не факт, что это абсолютное знание):

-"естественная" ионизация атмосферного воздуха.


На рисунке приведены результирующие значения равновесной концентрации электронов (электрон/см^3) в зависимости от высоты и скорости входа КА в атмосферу;
-модуляция входа в атмосферу, углы тангажа и рыскания ("фонит" плазмой дно или обтекатель, или все его части (важно для п. помеченного *), в зависимости от плотности (высоты) среды меняются режимы обтекания газом тела;


-ударная волна, расстояние отхода и её форма, теплообмен в пограничном слое, влияние ли термодиффузии (отдельные компоненты диффундируют и вступают в химические реакции или нет);


аэродинамический пограничный слой служит источником энергии, передаваемой поверхности аппарата в процессе входа в атмосферу (движения в ней)
-тип тепловой защиты аппарата (*): тепловой аккумулятор или теплозащита уносом массы (абляция);
при абляции вообще получается коктейль, т.к. участвуют в плазмообразовании не только молекулы воздуха, но и молекулы/атомы (ионы, электроны) теплозащиты.



Жидкость (**), что получилась при нагреве и испарении ТЗП, т.е. расплав теплозащиты-течёт (в буквальном смысле) по поверхности гиперзвукового аппарата (боеголовки).


-фотоны выбивают электроны из молекул и атомов воздуха и самого аппарата (его теплозащиты).
Да, да: при таких энергиях и температурах кванты света обдирают электронные облака с "кирпичиков" вещества), см.[1]


- магнитогидродинамическое воздействие на плазму при гиперзвуковом обтекании тела и его влияние на плазмо-"кожуру" и тепло- массо- перенос в скачке и в пограничном слое [2];



-наэлектризованные тела, наведённые электрические поля*** на заряды и даже электролиз (см.**);


Примеры:
+электролит и миграция зарядов от анода к катоду;
+шарик, который прилипает к стене, если его потереть о волосяной покров головы (если лысина - можно потереть о чужую). А стена-то не наэлектризована, она нейтральна. Однако "липнет"!

Прибегает домой мой отпрыск и говорит:
Берет лист бумаги, разрывает его на мелкие куски, достает свою ручку и натирает о свои волосы.
А дальше что было, я думаю, что вы догадались...
-разряды в сверхзвуковом потоке;

и многое другое.

Пожалуй, я закончу и вернусь к нашим "баранам". Какой вариант вырбать (оператора или мой) - решайте сами.
Запомните только эту картинку*** (она пригодится):

Чем же эта вредная плазма мешает радиоволнам и радиолокации?

Ведь плазма это вроде бы "ионизованный квазинейтральный газ"! Газ, да не тот газ.
- антенна, просто говоря, горит, а антенное окно (АО) тоже может прогореть или изменить свою диэлектрическую проницаемость.



- электронная плотность плазмы постоянно меняется, диэлектрическая проницаемость ионизированного газа меньше единицы и зависит от частоты колебаний.
-чем больше угол падения волны на плазму, тем большая электронная плотность требуется для отражения и тем на большей толщине происходит отражение.
-фазовые и групповые скорости распространения радиоволн. В случае приближения рабочей частоты к собственной частоте ионизированного газа (ω → ω0) групповая скорость уменьшается (υгр → 0), а фазовая скорость резко возрастает (υф → ∞). Потери энергии волны.
-полная скорость движения электрона складывается из скорости теплового движения uт и скорости, приобретаемой под действием электрического поля проходящей волны uЕ, причем обычно uт > uЕ.
Если кто-то, после прочтения этой выжимки, не побежал записываться на курсы "Физтеха"... Значит я зря потратил и своё, и ваше время.

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 антенн, вынесенных за плёнку плазменной оболочки.
—Повышения ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ ВОЗВРАЩАЕМЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
—За счет наложения постоянного электрического поля на излучающую поверхность АО, при этом происходит перераспределение заряда в расплаве на поверхности теплозащиты, что приводит к уменьшению в ней потерь, а значит к просветлению АО.
—За счет подачи хладагента через пористую теплозащиту на ее поверхность, при этом достигается уменьшение температуры излучающей поверхности АО до температуры ниже температуры плавления.
—И также пассивный принцип- это построение теплозащиты из комбинации материалов с различными температурами плавления, что приводит к перераспределению поля температур по поверхности теплозащиты и обеспечивает повышенную радиопрозрачность на части СКА (боеголовки).

Но проблема прохождения ЭМВ (без потерь и искажений) через такую "неспокойную" плазму остаётся. Причём это важно не только для СКА, но и при старте ракет и ракетоносителей. Факел РД - такой же мощный генератор плазмы.


Телеметрия нужна (ЦУП всегда хочет знать "Что, Где, Когда?"), да и радиокомандное управление используется многими.

Не буду здесь выкладывать фото и чертежи по вполне понятным причинам, лишь приведу один пример: перехватчик 53Т6 (SH-08/ABM-3A GAZELLE, Газель) ПРО А-135 «Амур».


Система управления радиокомандная, ответчик и автопилот на борту, передача команд наведения и других команд происходит по каналу станции передачи команд (СПК).
Антенны приемника команд и ответчика расположены попарно по 2 шт. на корпусе ракеты, экранирование антенн от плазмы, возникающей при полете ракеты в атмосфере, происходит впрыском фреона или аналогичной по свойствам жидкости.


Впрочем, ОПЕРАТОР опять сказал лучше и понятнее меня (стиль и орфография сохранены):
.

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.

Китайцев мучают похожие проблемы, что и Хьюстон:


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 слишком высок (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.

Опять предложу посмотреть видео: NASA Shuttle Endeavour Re-Entry Video (хорошая запись):


Ну вот, "тихой сапой" мы наконец добрались к самому главному, ради чего написана эта статья:

4.Тевтонский подход
Германский аэрокосмический центр (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR) совместно с исследователями из Стэнфордского университета (Stanford University in California) провели в начале 2016 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 гиперзвуковых ракет или боевых блоков.



Что сделали эти наследники Генриха Герца ?
Они совместили советский и китайский подходы 2 в 1 (как шампунь и ополаскиватель), со своим know-how.

В январе 2016 года совместный стартап осуществил эксперименты с положительными результатами.
Для тестов использовалась аэродинамическая труба сверх- и гипер-звуковых 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 радиоустройства (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 (минус), которое отталкивает ионизированный поток плазмы (отрицательные ионы и электроны). Результат-открывается окно в плазменном коконе для передачи и приёма радиосигналов.
Поле генерируется примерно так (это схемка от другого изделия, но суть та же):


Можно использовать и конденсатор, при его зарядке постоянным током на одной из обкладок появится положительный заряд, на другой — отрицательный:


Это окно не может существовать открытым долгое время, так как:
— Плёнка плазмы не стационарна относительно объекта из-за больших скоростей потока и прочих термо-газодинамических процессов, описанных выше:


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


Поведение ионов и электронов (картинка не из этого процесса, но отлично поясняет явление):


Поэтому поле создаётся импульсно, напряжение генерируется с частотой каждые несколько миллисекунд.
Этого интервала достаточно, чтобы обеспечить передачу и прием данных.

По фотографиям видно, что догадливые немцы не создают АО на головном обтекателе или в хвосте ЛА, а ковыряют в "самом тонком" месте: перпендикуляр к продольной оси аппарата где-то на 1/3 от начала тела.

Ответов я пока от них не получил (но зато получил приглашение посетить и "поговорить по душам за стаканом чая" по этой теме), но могу предположить следующее:
1. В этом месте самый тонкий слой плазменной "кожуры".
2. Пытаться пробить плазму на самом обтекателе (оконцовке) - бессмысленно. Не хватит ни сил, ни здоровья. Там самое жуткое место: скачки уплотнения, рождаются ионы (протоны) и электроны, идёт абляция, ТЗП превращается в жидкость, которая частично испаряется, частично течёт дальше (по своим жидким делам).
В общем и целом : аномалия, причём сплошная.
Снова приведу цитату Оператора, что мне сильно понравилась:

3. В хвосте СА (в торце) также бессмысленно: там очень длинный след-хвост.


Донное разрежение, микс из турбулентно-ламинарных потоков, отрывы, схлопывания. Плазменная кавитация одним словом: что-то похожее на стирку белья в стиральной машинке в период её максимальной бурбулизации.
Тут только мои предположения, основанные на (**), (***) и постулатах выше, где я нудил про свойства плазмы: на обтекателе (оконцовках) происходит рождение плазмы (ионов и электронов), далее ионы, как самые тяжёлые и, вероятно, благодаря наэлектризованности обшивки аппарата или электролиту из абляционной изоляции, или из-за газодинамического напора среды-мигрируют в хвост СКА.

А электроны, как более шустрые и лёгкие, и вероятно, благодаря наэлектризованности обшивки, как те хитрые мигранты в ЕЭС, занимают "тёплые" места вдоль тела аппарата.
При этом плазма (кокон вокруг аппарата) в целом остаётся нейтральной и конечно же "квази".

В этом "самом слабом звене" немцы и применяют свою негативную пушку, пробивая антенное окно в слое плазмы (ну как у нас впрыск фреона на 53Т6). Как только потенциал сильно меняется, набегающие с "передка" ионы с положительным зарядом стремятся заполнить это окно, тяготея к отрицательному полю и не желают эксфильтрироваться естественным образом в донную область (в бурбулятор), окно схлопывается, поле отключается, всё возвращается к стабильности и покою. Следующий импульс.

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





Прим. Мне очень жаль, что не мы с немцами замутили эту тему.
Мурыжили они нас (Штутгартский институт по исследованию технологии конструкции и проектирования и Германский авиакосмический центр) с проектом ЕХРЕRТ. Но променяли на американцев.....

Сам Кришнамурти впечатлён простотой и скоростью сотрудничества:


Ali Gulhan, заведующий кафедрой Supersonic and Hypersonic Technology, имеет столь же позитивное мнение:

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

Я по своему гадкому характеру не сдержусь и кину камешек (вернее целую сетку булыжников на пару пудиков) в их сторону:
Почему это американцы полезли к немцам? Поясню.
1. НДС в Германии 19%, в Америке его нет. Жисть в штатах дешевле, а тут еще налоги всякие. Да и евро пока дороже $. Вычислительные мощности USA не сопоставимы с немецкими.
Всё: биг-маг, бензин, проживание и еда - дешевле в США, существенно.
А транспортные расходы? Помотайся-ка через Атлантику!
2. Аэродинамических труб в США просто завались, в том числе и манипулирующих гиперзвуком.


Любого цвета и размера причём.


3.Германия в общем-то не лидер в космических аппаратах, космической связи и гиперзвуковом оружии.
"Меня опять терзают смутные сомнения"

Если то, что достигнуто воплотить в жизнь, то решается проблема связи со спускаемым аппаратом, многоразовым челноком (МКТС), стартующей ракетой (не важно РН или ракетный перехватчик с радиокомандным наведением).
А какие широкие перспективы для АРГС 3М-22 («Циркон») и/или Объект 4202 (Ю-71)?

Да, это будет не типовая РЛГСН, а допустим РЛС БОКОВОГО ОБЗОРА С СИНТЕЗИРОВАНИЕМ АПЕРТУРЫ:


Какая шикарная возможность привязать полётную траекторию к местности (аналоги TERCOM/DSMAC)!
А передача данных по новой цели (целеуказание/перенацеливание для ПКР)?


Или сигнал на перезахват цели или самоликвидацию боевого блока?


Послесловие:
- Все данные мною взяты из открытых источников, т.е. не надо никуда бежать и никому докладывать.
- По поводу дискуссии с НЕКСУС о "Советском стелсе", высосанном из книги "Сломанный меч империи" М.Калашникова , я бы хотел отдельно обмусолить вопрос о Ту-160...
Но! Но Сергей Иваныч (ССИ) пока молчит, а попадать под раздачу мне бы не хотелось.
- Voyaka uh, капрал и остальные, вы уж меня извините, но разбивать эту статью, как вы рекомендовали мне в
Сага о ракетных топливах , показалось мне политически не верным. Теряется смысл и "связь поколений", так сказать.
- Надеюсь, хоть кто-то скоротал своё время за бутылкой чая и возможно получил что-то полезное.

Некоторые термины

Первоисточники, а также использованные 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)
[1] "Кинетическая теория плазмы и газа. Взаимодействие мощных лазерных импульсов с плазмой", 2006, Косырев И.Н.
[2]ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛЬНОГО МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА УДАРНО-ВОЛНОВУЮ СТРУКТУРУ ПОТОКА ВОЗДУХА ПРИ ГИПЕРЗВУКОВОМ ОБТЕКАНИИ ТЕЛ, Ядренкин М.А.
Численное моделирование плазмы на суперкомпьютерных системах,
Автор С. И. Бастраков, А. А. Гоносков, Р. В. Донченко, Е. С. Ефименко, А. В. Коржиманов, И. Б. Мееров
Das Ende der Funkstille – Windkanaltests simulieren neue Methode zur Kommunikation von Raumfahrzeugen
Abteilung „Über- und Hyperschalltechnologien" (AS-HYP)
Versenden Drucken Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik (IAS)
"Сверхзвуковая плазменная аэродинамика" Кафедра физической электроники. ФизТех.
Мартин Дж. Вход в атмосферу. Введение в теорию и практику / Дж.Мартин. – М. : Мир, 1969.
"Спуск с орбиты и теплозащита КА" (www.forums.airbase.ru)
Распространение радиоволн. Учеб. пособие для радиотехн. спец. вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., "Высш. школа", 1975.Грудинская Г. П.
Материалы Стэнфордского университета (Stanford University)
Материалы Германского аэрокосмического центра (DLR)
www.universetoday.com
www.militaryrussia.ru
www.space.com
www.wikipedia.org
www.nlo-mir.ru
www.24space.ru
www.nasa.gov
www.youtube.com
www.militaryrussia.ru
sahallin.livejournal.com/44379.html