§ 8.9. Радиосвязь со спутником на восходящем участке траектории

Основной проблемой при изучении распространения радиоволн на восходящем участке траектории спутника или космического корабля является влияние ионизации струи газа, истекающего из сопла ракетного двигателя.

Во время включения ракетного двигателя струя газа не имеет четких границ и может окружить всю ракету. При этом газ содержит вещества, которые при высокой температуре струи легко ионизируются. Антенны, расположенные на спутнике или космическом корабле, оказываются окруженными оболочкой ионизированного газа, что приводит к ухудшению условий радиосвязи между спутником и Землей. Спустя некоторое время, необходимое для выхода ракетного двигателя на режим, струя двигателя приобретает определенную конфигурацию. На рис. 8.13 изображена конфигурация струи ракетного двигателя, определяемая уровнями постоянной электронной плотности [42].

Рис. 8.13. Конфигурация струи ракетного двигателя (пунктирными линиями показаны уровни постоянной электронной плотности)

Электроны в струе распределяются прямо пропорционально давлению газа и обратно пропорционально температуре. В результате электронная плотность убывает примерно обратно пропорционально расстоянию от сопла двигателя. Максимальная электронная плотность, имеющая место вблизи сопла двигателя, достигает значений N_э = 10¹⁰÷10¹¹ эл/см³ [49].

При прохождении радиоволн через струю двигателя их мощность ослабляется. Если на каком-то уровне электронной плотности струи собственная частота ионизированного газа в струе ω₀ [см. формулу (4.21)] больше рабочей частоты, то волна не проникает глубже в струю и полностью отражается от данного уровня электронной плотности. В этом случае струя представляет собой непрозрачный экран, через который радиоволны не могут пройти. Радиосвязь оказывается полностью нарушенной.

Если же рабочая частота достаточно высока, так что она всегда превышает собственную частоту ионизированного газа в струе, то отражения радиоволн от струи не происходит и радиосвязь возможна. Однако при прохождении волны в ионизированном газе происходит поглощение энергии волны, которое на один метр пути в ионизированном газе определяется величиной α [см. уравнение (1.53)]. Полное поглощение на всем пути волны в струе определяется интегрированием погонного затухания а по длине пути, поскольку электронная плотность и число столкновений электрона с молекулами газа не постоянны вдоль пути волны. Поглощение волн в струе уменьшается с увеличением рабочей частоты. Точный расчет поглощения волн в струе и собственной частоты ионизированного газа затруднен тем, что сведения об электронной плотности и ее распределений являются весьма приближенными.

По оценкам, имеющимся в [49], при прохождении радиолинии через центральную, наиболее плотную часть струи, поглощение на волне длиной 3 см составляет около 3 дБ, а на метровых волнах связь оказывается невозможной. Поглощение зависит от пути, проходимого волной в струе, т. е. от угла связи (угла между осью спутника и направлением распространения волны). Угол связи определяется взаимным расположением спутника и наземного пункта наблюдения, а также положением антенны на спутнике. Для уменьшения поглощения радиоволн желательно увеличивать угол связи, что достигается удалением наземных пунктов наблюдения от стартовых площадок и расположением антенн дальше от ракетного двигателя.