寂静的尽头-与航天器通信的新方法

图片

在航天器以超音速进入大气的情况下,会释放出大量的热量,这不仅对下降的运载工具的材料施加了很高的热负荷,而且还会导致SCA周围形成等离子体。

这会阻止(或扭曲)无线电信号-结果,航天器无法在几分钟内与其地面站进行通信。
确保与航天器的稳定无线电通信的任务非常紧迫。

军事方面的问题同样重要:高超音速导弹和洲际弹道导弹弹头的战略导弹部队,例如:

3M-22(锆石)/在照片演示模型BrahMos-II中,但3M-22不太可能脱颖而出:

图片

对象4202(Yu-71):

图片

通过这种等离子体进行的雷达和无线电通信不起作用:电磁能量损失和无线电噪声辐射的总功率几乎完全决定了整个无线电通信信道的能量潜能的降低,明显增加并确定了沿下降路径的无线电通信的损失。

在Mercury项目,然后是Gemini和Apollo项目期间,发现了大气入口处的断开现象。 它在大约90公里的下降高度上表现出来,最高可达40公里-由于迅速降落在大气层中的胶囊表面迅速升温,在其表面形成了等离子体云,这是一种电磁屏蔽。

这种效应被称为(非官方)“火热重新进入期间的无线电沉默”。

阿波罗13号(Apollo 13)电影的结尾,这是一次载有三名宇航员的失败的登月任务,观众感受到了与飞船进入地球大气层相关的紧张气氛。 正是在那一刻,与船的通讯中断了,美国休斯敦的飞行运营商开始在这无限长而痛苦的几秒钟内紧张抽烟。 这时,航天器以第二宇宙速度进入大气,导致其被热的电离空气包围,其结果是中断了与地球的连接。

图片

为了更清楚一点,我将展示一个视频,介绍SKA Soyuz TMA-13M的氛围:



作为最相关的示例-测试发射USAF X-51A Scramjet时失去了通信和遥测。

为解决此问题已作了几种尝试:

1.苏联方法(已实施)。

-定向弱的微波辐射器-带有加热热保护和熔融材料以进行热保护的机载天线。
-带有热保护功能的车载天线,其原始设计降低了其无线电透明度对高温空气动力加热的敏感性。
-针对空气动力学加热条件的无线电漂白AO的方法,可减少加热AO的损失。
-使用从等离子护套膜中取出的“长”耐热天线。


2.中国方式(草稿)
信号的放大,可以通过等离子壳体与周围飞机之间的特殊层之间的共振或协调的电磁振荡来产生。 天体科学家建议在正常的高超音速飞行过程中增加一个“匹配层”以创造必要的共振条件。

假设匹配层将在常规电路中用作电容器。 另一方面,等离子外壳充当电感器,可防止流经它的电流发生变化。 当电容器和电感器连接在一起时,它们可以形成谐振电路。

一旦达到共振,能量将开始在等离子体和匹配层之间稳定地循环,就像电路中的常规电容和电感那样。 结果,从地球进入的无线电信号可以传播通过匹配层和等离子壳,好像它们不存在一样

注意:为使此方法有效工作,匹配层和等离子外壳的厚度必须小于用于与飞机通信的电磁波的长度。

结果,如目前,如果天线的频率范围太高,则所提出的方法将行不通。

3.美国方式

在航天飞机时代,问题以可重复使用的船的形式得到了部分解决。 其空气动力学设计产生了较低的等离子体通量密度区域,从而允许有限的通信:下降的飞行器-轨迹的某些部分中的MCC。

注意:诸如下降飞机进入大气的角度,其速度(通常为最大20-25)及其空气动力学形状等因素会影响电离气体通量密度。

德国航空航天中心(Deutsches ZentrumfürLuft- und Raumfahrt; DLR)与斯坦福大学(加利福尼亚州斯坦福大学)的研究人员一起对这项新技术进行了非常成功的测试,该测试将来将减轻宇航员进入大气层时的通信损失,并可能确保机载飞机的功能用于高超声速导弹或弹头的GOS定位器。

图片

2016年1月,一家联合创业公司进行了实验,取得了积极的成果。

为了进行测试,我们使用了科隆空气动力学和流动技术研究所DLR部门的超音速和高超音速技术的风洞和大功率电弧加热器来产生等离子体。

基于Siddarth Krishnamoorthy领导的斯坦福大学美国科学家的数学模型,重新创建了实际测试条件。 将由隔热罩和发射耐热无线电设备(发射器)组成的测试设备(下降式车辆的模拟器)暴露于加热到几千度的等离子体流中。

在热气流外部安装了一个用于接收无线电信号的天线。

图片

图片

这个想法的实质是:在发射器天线的附近,产生一个负电压场,该场排斥排斥电离的等离子体流(负离子和电子),从而在等离子体茧中打开一个无线电信号窗口。

该窗口不能长时间打开,因为:

-由于高流速,等离子膜相对于物体不是固定的。

图片

-在等离子体中还带有带正电的离子,这些离子带“极大的愉悦感”将被吸引到负电场发生器中。

图片

因此,磁场在脉动,电压以脉冲产生:每几毫秒。 该间隔足以允许数据的发送和接收。

迄今为止,仅在数值模拟中才开发了使用脉冲电场通过等离子体壳进行无线电通信的方法。

克里希那穆提(Krishnamurti)本人对合作的简便性和速度印象深刻:“在三个月内,我们有机会在实践中测试了我们的方法,并同时从DLR获得了该领域的数据和最佳实践。”

超音速和超音速技术系主任阿里·古尔汉(Ali Gulhan)也持同样积极的看法:“ DLR和斯坦福大学之间的合作是解决下降的航天器通信失败问题的理想基础。”

无线电通信技术将得到进一步改进,并不仅适用于新航天器,而且还适用于现有航天器。

一些条款:
AO天线窗口。
SKA(KA,SA)-下降航天器(变化中)
GOS归位头。
RGSN(ARGSN)-雷达搜寻器。

二手文件,照片和视频:

提高下降的航天器的机载无线电工程通信系统的运行效率(论文题目和高级鉴定委员会摘要,2007年12月5日,科波罗,科里罗,利博里奥)

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN401297/


All Articles