КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, том 42, № 3, с. 238-247
УДК 533.9
ИСКАЖЕНИЕ РАДИООТРАЖЕНИЙ ОТ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ КА ПЛАЗМЕННЫМИ СТРУЯМИ И ОБРАЗОВАНИЯМИ. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
© 2004 г. В. А. Шувалов, А. Е. Чурилов, М. Г. Быстрицкий
Институт технической механики Национальной академии наук Украины, г. Днепропетровск
Поступила в редакцию 26.06.2001 г.
Разработана методология физического моделирования рассеяния электромагнитных волн на плазменных струях и образованиях у поверхности КА. Экспериментально изучены эффекты ослабления и искажения отраженных от элементов конструкций КА радиосигналов плазменными струями и искусственными плазменными образованиями, возникающими при работе электрореактивных двигателей, инжекции электронных пучков, проведении активных и пассивных экспериментов на орбите.
ВВЕДЕНИЕ
Плазменные струи и искусственные плазменные образования (ИПО), возникающие у поверхности КА при работе электрореактивных двигателей (ЭРД), инжекции электронных пучков, проведении активных и пассивных экспериментов на орбите и т.д., существенно изменяют околоспутниковую среду, нарушают работу систем телеметрии, бортового ретрансляционного и обеспечивающего комплексов. Возмущение распределения заряженных частиц в окрестности КА изменяет характер рассеяния электромагнитных волн в широком частотном диапазоне, приводит к рассеянию радиоизлучения, ослаблению радиосигналов на трассе Земля-КА-Земля, усложняет радиолокационное обнаружение и распознавание КА на орбите.
Отсутствие точной информации о структуре плазменный струй и образований на орбите не позволяет однозначно интерпретировать результаты радиофизических измерений при проведении натурных экспериментов по инжекции плазменных струй ЭРД, электронных пучков в ионосфере, прогнозировать их влияние на прохождение радиосигналов, телеметрию, радиосвязь, радиолокационные характеристики КА. Относительная сложность и высокая стоимость натурных экспериментов не позволяют считать их приемлемым средством для систематического и детального изучения процессов и явлений, связанных с взаимодействием в системе КА-плазменная струя-электромагнитное излучение бортовых или наземных радиолокационных станций (РЛС), средств связи, сопровождения и т.д. Поэтому при исследовании такого взаимодействия значительная роль отводится лабораторному моделированию.
Моделирование в контролируемых лабораторных условиях является неотъемлемым струк-
турным элементом системы исследований, поскольку позволяет выделить из широкой гаммы физических процессов и явлений основные, изучить их природу, выявить влияние различных факторов и после сопоставления результатов исследований с теоретическими представлениями уточнить сформулированные модели. Для рассматриваемой проблемы лабораторное моделирование-последний элемент триады "натурный эксперимент в космосе-теоретические исследования и численный эксперимент-лабораторный физический эксперимент".
Целью данной работы является разработка методологии и средств физического моделирования; исследование в контролируемых лабораторных условиях эффектов и явлений, возникающих при радиолокационном зондировании плазменных струй, инжектируемых с КА и ракет в ионосфере; дополнение цикла работ о натурных экспериментах в космосе [1-9] и численных исследованиях [10-14] результатами физического модельного эксперимента.
На практике при взаимодействии плазменных струй и образований с электромагнитным излучением на орбите, когда утах < ю и юе < ю (Утах = = тах[уе^ \еп] - частота соударений электронов с ионами и нейтралами, юе - ларморовская (циклотронная) частота электронов, ю - круговая частота зондирующего излучения), как правило, реализуются три случая:
- ИПО у поверхности КА, с ядром критической или сверхкритической плотности плазмы, значительно превосходящим линейный размер тела (ю < юр);
- ИПО у поверхности КА с ядром критической плотности, размеры которого сравнимы с линейным размером аппарата (ю < юр);
- ИПО у поверхности КА при ю > юр (юр - плазменная частота).
Первый случай реализуется для метрового диапазона длин волн (эксперименты "Зарница-2", "Аэлита-1") [3-5]. При ю < юр наличие ИПО заметно увеличивает амплитуду отраженного аппаратом сигнала. В лабораторных условиях реализация этого случая затруднена сложностями создания ИПО с ядром сверхкритической плазмы, превосходящим размеры модели КА. Два других случая реализуются в более коротковолновом диапазоне. Интерпретация отражений для этих случаев сложнее. Поэтому возможности лабораторного модельного эксперимента, в ходе которого можно выделить влияние различных факторов на характеристики рассеяния и прохождения радиоволн, при ю < юр и ю > юр более предпочтительны.
Трудности проведения таких исследований сопряжены с необходимостью моделирования движения КА в ионосферной плазме, перемещения его относительно РЛС и средств связи.
В лабораторных условиях при исследовании влияния формы и структуры ИПО это приводит к необходимости создания у поверхности моделей КА плазменных струй и образований, сохраняющих форму и структуру при изменении их углового положения относительно направления облучения и направления движения КА (вектора скорости набегающего потока), т.е. удовлетворения одновременно требованиям плазмогазодинами-ческого и электродинамического моделирования.
Речь идет о моделировании в замкнутом объеме специализированной плазмогазодинамичес-кой установки, в сверхзвуковом потоке разреженной плазмы, явлений, протекающих в неограниченном пространстве при движении КА в ионосфере и взаимодействии их с электромагнитным излучением, генерируемым орбитальными или наземными РЛС и средствами связи в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн.
КРИТЕРИИ ПОДОБИЯ И МАСШТАБНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ
Плазмогазодинамический аспект моделирования взаимодействия КА с ионосферой основан на подобии взаимодействия в системе КА-плазма для реального КА и модели. Решение стационарной задачи сверхзвукового обтекания КА ионосферной плазмой характеризуют параметры подобия [15]:
^ = V . / (2 кТе/М, )0'5; Ял = Я/Ха; Ф„ = еф„, / кТе; Т в = Те/Т; Яа = Я/р„,
(1)
рактерный размер КА; Ха - дебаевский радиус невозмущенной плазмы; е - заряд электрона; -потенциал поверхности тела; ра - ларморовский радиус (а = г, е) ионов и электронов.
Критерии подобия (1) и параметр геометрического моделирования в = Ям/Я (отношение линейных размеров модели и натуры при подобии их геометрической формы) определяют требования к точности и чистоте модельного эксперимента по обтеканию КА ионосферной разреженной плазмой и позволяют получить масштабные коэффициенты, устанавливающие связь между параметрами КА и плазмы в ионосфере и в лабораторной плазме [16].
Номинальные значения критериев подобия (1) при среднем уровне солнечной активности, рассчитанные для элементов конструкций КА с характерным размером Я = 0.5 м и V. = 7.5 км/с на высотах 150-1000 км, лежат в пределах 3 < < < 10; 30 < Ял < 210; Тр > 1.2; Я1 < 101; Яе - 10 [17].
Лабораторная плазма существенно неизотермична. Поэтому на практике, при физическом моделировании условий сверхзвукового обтекания КА в ионосфере, целесообразно ориентироваться на температуру электронов Тем плазмы, генерируемой в лабораторных условиях. При заданном отношении температур электронов модели и натуры Тем/Те = % критерий подобия Яа, характеризующий режим обтекания тел потоком разреженной плазмы, позволяет получить соотношение для концентраций заряженных частиц
Мем/Ме = (2)
а из критериев Яе = Я/ре и Бе г = У„/(2кТе/М;)а5 при Мгм/Мг = Ь могут быть получены соотношения для напряженности внешнего магнитного поля и массовой скорости потока
ям/я = р-1 е5,
v.J V. = (%/Ь)
0.5
(3)
где V. - скорость движения тела; Те, г - температура электронов и ионов; Мг - масса ионов; Я - ха-
Приведенные соотношения позволяют оценить параметры сверхзвукового потока плазмы, который должна генерировать установка, предназначенная для моделирования условий движения КА в ионосфере. С учетом номинальных значений параметров ионосферной плазмы на высотах 150-1000 км, при среднем уровне солнечной активности [17], из соотношений (2) и (3) для ионов N (Ь = 1.75) при % > 10 и р-1 > 20 следует Мем > > 1015 м-3; ^ > 18 км/с; Ям > 20 Э.
Электродинамический аспект моделирования основан на подобии рассеяния и дифракции электромагнитных волн на реальном теле и его модели. Необходимым условием моделирования является геометрическое подобие конфигурации поля. Возможность создания модели заданной электродинамической системы обоснована в приближении линейной электродинамики [18].
Если КА и его модель изготовлены из металла или материала с высокой проводимостью, то для электродинамического моделирования достаточно выполнения условия
ец( /Я)2/е
мг^м ( / м Ям ) = 1>
(4)
где е, ц - диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, / - частота зондирующей волны.
При равенстве диэлектрической и магнитной проницаемостей сред в натурных и модельных условиях, с учетом параметра геометрического моделирования в и равенства/ = ю/2п = е/Х, где Х -длина зондирующей волны, е - скорость света, из условия (4)следует
юм/ю = X/Хм = Я/Ям = в-1.
(5)
Если материал КА не является хорошим проводником, то соотношение (5) должно быть дополнено условием [18]
юм/ю = ам /а = в-1.
где а, ам - соответственно, проводимость материала КА и модели.
Несложно получить соотношения для эффективных поперечников рассеяния (ЭПР) X натурного объекта и модели:
Х/Хм = я2/ям = в-2.
Учитывая, что при исследовании рассеяния электромагнитных волн проводящим телом реальный интерес для ионосферы представляют случаи, когда частота зондирующей волны ю намного превышает ларморовскую частоту электронов юе <§ ю и частоту столкновений частиц в плазме V = тах(у^, ven), V < ю, можно принять е =
= 1 - ю2р /ю2 = 1 - N2е /N (Ик - критическая концентрация электронов для частоты зондирующей волны) [19]. Из условий равенства диэлектрических проницаемостей сред следует
Neм/Ne = Х2/Хм = в-2.
(6)
раторных экспериментах. В потоке разреженной плазмы, моделирующем условия и режим движения КА в ионосфер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.