Определение электрофизических свойств плазмы ударного слоя вблизи критической точки спускаемого аппарата
Аннотация
В ряде практических задач важно обеспечивать устойчивую радиосвязь со спускаемыми аппаратами в плотных слоях атмосферы. Большие сверхзвуковые скорости, с которыми спускаемые аппараты движутся на этом участке траектории, приводят к возникновению в их носовой части сильно нагретого плазменного ударного слоя, заметно ослабляющего прохождение радиоволн. Потери в плазме складываются из отражения сигнала от границы раздела «плазма/свободное пространство» и из его затухания в плазме и определяются значениями показателей преломления и поглощения плазмы. Цель статьи состоит в определении показателей преломления и поглощения радиоволн в плазме ударного слоя вблизи критической точки спускаемого аппарата для различных высот его полета и скоростей набегающего потока. При проведении расчета приняты следующие допущения: плазма ударного слоя является однородной и изотропной, к движению заряженных частиц применима классическая теория, внешнее магнитное поле отсутствует, электронный газ является невырожденным, плазма находится в состоянии термодинамического равновесия, в теплозащитном покрытии спускаемого аппарата отсутствуют легкоионизуемые компоненты, влияющие на интенсивность протекания ионизационных процессов в плазме ударного слоя. С использованием известных соотношений выполнены расчеты параметров плазмы ударного слоя вблизи критической точки спускаемого аппарата для высот полета спускаемого аппарата от 80 до 20 км и скоростей набегающего потока 4,6; 6 и 7,4 км/с: концентрации электронов и молекул, температуры, эффективного числа соударений электронов с ионами и молекулами среды, - позволившие определить диэлектрическую проницаемость, проводимость и показатели преломления и поглощения плазмы ударного слоя. Анализ результатов показал, что, поскольку в рассматриваемых случаях плазменная среда обладает ненулевой проводимостью, несмотря на отрицательные значения диэлектрической проницаемости показатель преломления плазмы остается вещественным, и, следовательно, в плазме существует бегущая волна. Показатели преломления и поглощения плазмы являются функциями высоты, скорости набегающего потока и частоты. С уменьшением высоты полета спускаемого аппарата наблюдается их стабильный рост, что объясняется ростом проводимости и абсолютного значения диэлектрической проницаемости плазменной среды. Полученные в статье результаты являются параметрами электродинамической модели спускаемого аппарата, используя которую в дальнейшем планируется постановка серии численных экспериментов, позволяющих выбрать оптимальный конструктивный облик и технические характеристики бортовой аппаратуры связи.
- плазма
- ударный слой
- спускаемый аппарат
- потери в плазме
- радиосвязь
Abstract (in English)
Evaluation of plasma shock layer electrophysical properties near critical point of lander
A continual radiocommunication with landers in upper atmosphere is of great importance in some applications. The problem consists in sufficient attenuation of radio waves propagating through a high-heated plasma shock layer that arises in nose part of a lander due to its motion with high supersonic velocity in upper atmosphere. Radio wave energy losses are partly caused by its reflection of “plasma/free space” boundary and partly by its absorption in plasma. Plasma losses can be evaluated using plasma indexes of refraction and absorption. The purpose of this paper consists in evaluating of these indexes near critical point of a lander for different heights of its flight and up-stream velocities. To fulfill this, the following assumptions were made: plasma is uniform and isotropic, classical theory can be applied to describe the motion of charged particles, external magnetic field is absent, electron gas is nondegenerate, plasma is in the state of thermodynamic equilibrium, lander heat-resistant coating does not contain components with low ionization potential, thus, there is no additional ionization in plasma shock layer. Utilizing notorious equations, the following plasma shock layer parameters near critical point of a lander for range of heights from 80 to 20 km and up-stream velocities 4,6; 6 and 7,4 km/s were calculated: electron and molecular densities, temperature, effective number of electron/ion and electron/molecule collisions. Involving this parameters, plasma permittivity, conductivity and indexes of refraction and absorption were obtained. While plasma conductivity is nonzero, in spite of negative values of permittivity, index of refraction is always real for considered conditions. Hence, traveling wave exists in plasma shock layer. Plasma indexes of refraction and absorption are functions of height, up-stream velocity and radio wave frequency. These indexes always grow with lowering of lander flight height. This regularity is caused by plasma conductivity and permittivity absolute value growth. Obtained results are parameters for lander electrodynamic model. From now on, to choose an optimal design and parameters for on-board communication equipment, a number of numerical experiments will be carried out using the model.
Для цитирования
Мурлага А.Р. Определение электрофизических свойств плазмы ударного слоя вблизи критической точки спускаемого аппарата // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.9.9
Литература
- Giangaspero V. F. et al. 3D ray tracing solver for communication blackout analysis in atmospheric entry missions //Computer Physics Communications. - 2023. - Т. 286. - С. 108663.
- Savino R. et al. Plasma-radiofrequency interactions around atmospheric re-entry vehicles: modelling and arc-jet simulation //Open Aerospace Engineering Journal. - 2010. - Т. 3. - №. 1. - С. 76-85.
- Morabito D. D. The spacecraft communications blackout problem encountered during passage or entry of planetary atmospheres //IPN Progress Report. - 2002. - С. 42-150.
- Безменов А. Е., Алексашенко В. А. Радиофизические и газодинамические проблемы прохождения атмосферы //М.: Машиностроение. - 1982.
- Bendoukha S. A. et al. A study of radio frequency blackout for space probe during atmospheric reentry phase //International Journal of Research-Granthaalayah. - 2017. - Т. 5. - №. 3. - С. 1-15.
- Mehra N., Singh R. K., Bera S. C. Mitigation of communication blackout during re-entry using static magnetic field //Progress In Electromagnetics Research B. - 2015. - Т. 63. - С. 161-172.
- Tran P., Paulat J. C., Boukhobza P. Re-entry flight experiments lessons learned-the atmospheric reentry demonstrator ARD //Flight Experiments for Hypersonic Vehicle Development. - 2007. - Т. 10. - С. 10-46.
- Lehnert R., Rosenbaum B. Plasma effects on Apollo re-entry communication //Publications. - 1965. - Т. 2. - С. 412.
- Мартин Дж. Вход в атмосферу. Введение в теорию и практику. - 1969.
- Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. - 1960.