§ 8.8. Радиосвязь со спутником при вхождении его в плотные слои атмосферы

Многочисленные испытания возвращаемых космических объектов показали, что при вхождении спутника в плотные слои атмосферы, когда высота над поверхностью Земли не превышает 100 км, радиосвязь со спутником становится невозможной. Понятно, что поддержание связи в случае приближения спутника к Земле особенно важно, когда на его борту находится экипаж [36].

Причиной обрыва связи является образование вблизи спутника слоя ионизированного газа большой электронной плотности. Спутник приближается к Земле со сверхзвуковыми скоростями, достигающими 6÷8 км/с. На высотах, где воздух достаточно плотный, перед спутником возникает отсоединенная ударная волна. Газодинамические исследования, проведенные для спутника, имеющего форму притуплённого цилиндра, показали, что картина обтекания такого тела сверхзвуковым потоком имеет вид, показанный на рис. 8.7 [39].

Рис. 8.7. Схематическое изображение потока, окружающего тело, движущееся со сверхзвуковой скоростью: 1 - движущееся тело; 2 - фронт ударной волны; 3 - пограничный слой; 4 - область прямого скачка уплотнения газа

На рисунке изображен фронт ударной волны 2, имеющий параболический характер. За фронтом ударной волны происходит скачкообразное повышение температуры и плотности газа. Газодинамическая структура обтекания зависит от нескольких факторов: скорости движения, формы и размеров тела, плотности набегающего потока, определяемой высотой. В зависимости от этих факторов изменяются отход ударной волны и параметры за ее фронтом.

Исследования показывают, что высокие температуры и давления устанавливаются за фронтом ударной волны в течение некоторого времени. Однако на высотах не более 60 км за фронтом ударной волны (заштрихованная область на рис. 8.7) время установления достаточно мало, и практически можно считать, что газ в этой области находится в равновесном состоянии. Именно здесь возникают максимальные давления и температуры: давления в несколько атмосфер и температура свыше 3000 К.

При таких высоких температурах молекулы газа приобретают большие скорости. Поскольку скорости молекул распределены по закону Максвелла, имеются молекулы, скорость которых существенно превышает среднюю скорость электронов, связанную с температурой соотношением

Молекулы, обладающие энергиями более 12,5 эВ, способны ионизировать молекулы кислорода. При высоких температурах происходит диссоциация молекул кислорода и азота и образование молекул NO, энергия ионизации которых составляет лишь 9,5 эВ. Таким образом происходит процесс термической ионизации газа.

Вблизи притупленного конца тела, там, где набегающий поток воздуха нормален к поверхности тела, температура максимальна, происходит образование свободных электронов. Далее ионизированный газ стекает вдоль боковой поверхности тела. Пространство между телом и фронтом ударной волны увеличивается с удалением от притуплённой части, а следовательно, электроны распределяются на больший объем и электронная плотность снижается, как схематически показано на рис. 8.8. Густота точек качественно характеризует плотность электронов.

Рис. 8.8. Схема распределения плотности электронов вблизи быстро движущегося тела

Так как процесс рекомбинации электронов происходит не мгновенно, образующиеся вблизи движущегося тела электроны остаются в атмосфере, создавая ионизированный след большой протяженности. Электронная плотность следа спадает по его длине, уменьшаясь на расстоянии 10÷20 км до N_э ≈ 10⁶ эл/см³ [40, 41]. Расчеты показывают, что электронная плотность в области прямого набегающего потока меняется при движении спутника.

На рис. 8.9 показана зависимость электронной плотности равновесном состоянии газа от скорости движения тела на различных высотах в атмосфере.

Рис. 8.9. Зависимость электронной плотности в области прямого скачка уплотнения газа от скорости движения тела на различных высотах в атмосфере

При одной и той же скорости тела электронная плотность возрастает с уменьшением высоты. Но при вхождении спутника в плотные слои атмосферы скорость его уменьшается. Поэтому наибольшая электронная плотность имеет место при движении спутника на высоте 30÷50 км над поверхностью Земли, где она достигает значений N_э ≈ 10¹⁴÷10¹⁵ эл/см³.

Собственная частота плазмы при этом составляет f₀ = 10⁵ МГц, что соответствует длине волны 0,3 см. Следовательно, волны вплоть до миллиметровых не распространяются в этом ионизированном газе. Условия распространения волн ухудшаются еще потому, что за фронтом ударной волны плотность газа и число столкновений электрона с нейтральными частицами велики, благодаря чему в ионизированном газе имеются большие тепловые потери.

Для оценки потерь слой ионизированного газа и проходящую волну приближенно можно считать плоскими. Тогда для расчета коэффициента поглощения следует воспользоваться формулой (1.52), а для расчета коэффициента фазы - формулой (1.53).

Благодаря тому что число столкновений электронов в ионизированном газе велико, электропроводность его значительна, и он представляет собой электрически более плотную среду, чем воздух. Поэтому при выходе волны из слоя ионизированного газа на границе ионизированный газ - воздух происходит отражение волны, причем возможно и полное внутреннее отражение. Угол полного внутреннего отражения θ_кр [см. формулу (1.72)] оказывается близким к. нулю, т. е. из слоя ионизированного газа выходят волны, падающие на этот слой только нормально. Полные потери мощности радиоволны обусловлены суммой этих двух факторов, причем первый из них действует сильнее.

Частотная зависимость полных потерь мощности волны в слое ионизированного газа для высоты полета тела 60 км и скорости полета 8000 м/с представлена на рис. 8.10. Во всем радиочастотном диапазоне ослабление оказывается чрезвычайно большим, и выбором рабочей частоты невозможно улучшить условия прохождения радиоволн.

Рис. 8.10. Частотная зависимость полных потерь мощности волны в плазме

На рис. 8.11 показана зависимость полных потерь волны от высоты полета тела для рабочей частоты 200 МГц [39]. На некоторых высотах поглощение в ионизированном газе делает радиосвязь невозможной.

Рис. 8.11. Расчетные полные потери мощности радиоволн для типичного случая вхождения спутника в атмосферу (f = 200 МГц)

Даже в том случае, когда полного нарушения радиосвязи не происходит, присутствие поглощающей и отражающей плазмы вблизи антенны приводит к изменению входного сопротивления антенны и рассогласованию ее с линией питания. Искажается форма диаграммы направленности антенны. Характер искажений диаграммы направленности рупорной антенны при помещении ее в плазму изображен на рис. 8.12 [41].

Рис. 8.12. Искажение формы диаграммы направленности рупорной антенны, помещенной в плазму: 1 - плазма отсутствует; 2 - ω₀/ω = 0,45; 3 - ω₀/ω = 0,71

В случае приближения рабочей частоты к собственной частоте плазмы коэффициент направленного действия антенны снижается.

Для борьбы с нарушением радиосвязи при вхождении спутника в плотные слои атмосферы рекомендуется располагать антенны на боковой поверхности спутника в области меньшей электронной плотности. Делаются попытки уменьшить плотность ионизации введением деионизирующих веществ. Путем наложения постоянного магнитного поля стремятся улучшить условия прохождения радиоволн. Однако в настоящее время проблема радиосвязи со спутником при вхождении его в плотные слои атмосферы еще не решена.

Такая же проблема возникает, когда требуется осуществлять радиосвязь с космическим кораблем при посадке его на другие планеты. Недостаток сведений о строении атмосфер других планет не дает возможности провести детальные расчеты и предсказать степень ухудшения радиосвязи при посадке космического корабля на другие планеты.