Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2026, № 1 · RADIO WAVE PROPAGATION

Evaluation of radio waves energy losses in plasma shock layer near critical point of lander

M.E. Zamarin1, A.R. Murlaga1

1 A.I. Berg Central research institute of radio engineering, Moscow, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2026.1.4 UDC 533.95 EDN YQKWFX

Abstract

In upper atmosphere below 80 km at hypersonic speed of lander radiocommunication with it disrupts due to arising of plasma sheath around it. The purpose of this paper consists in evaluation of radio wave energy losses while radio wave propagates through shock layer plasma. To fulfill this, the following basic statements and assumptions were made: radio wave propagates in two-layer medium “shock layer plasma - free space” with sharp boundary, radio wave energy losses consist of attenuation in plasma and reflection of layers boundary; radio wave energy losses are evaluated in direction of lander symmetry axis; shock layer plasma is uniform and isotropic; classical theory can be applied to describe motion of charged particles; external magnetic field in shock layer plasma is absent; electron gas is nondegenerate; shock layer plasma is in the state of thermodynamical equilibrium; lander has spherical nose blunting. Radio wave reflection of “shock layer plasma - free space” boundary is calculated. As a result, it is shown that in most considered cases for heights more than 60 km radio wave reflection of “shock layer plasma - free space” boundary would be moderate, thus, providing stable radiocommunication with lander. Nose blunting radius of lander dome must be chosen less than 10 cm. This provides for heights more than 60 km shock layer thickness of the order of the distance along which wave amplitude changes e times. Thus, signal attenuation would be moderate to provide stable radiocommunication with lander. Hence, for heights (80 - 60) km, nose blunting radius of lander dome less than 10 cm and radiation of radio waves in the direction of lander symmetry axis in most considered cases must be provided stable one-way or two-way radiocommunication with lander.

  • plasma
  • shock layer
  • lander
  • plasma losses
  • radiocommunication
Аннотация (на русском)

Определение потерь энергии радиоволн в плазме ударного слоя вблизи критической точки спускаемого аппарата

В плотных слоях атмосферы на высотах ниже 80 км наблюдаются проблемы с радиосвязью со спускаемым аппаратом, движущимся с гиперзвуковой скоростью, из-за возникновения вокруг него плазменной оболочки. Цель статьи - количественная оценка величины потерь энергии радиоволны при прохождении сквозь плазму ударного слоя. При проведении оценки приняты следующие исходные положения и допущения: радиоволна распространяется в двухслойной среде «плазма ударного слоя - свободное пространство» с резкой границей раздела, потери энергии радиоволны складываются из затухания в плазме и отражения от границы раздела; потери энергии радиоволны определяются в направлении строительной оси спускаемого аппарата; плазма ударного слоя является однородной и изотропной; к движению заряженных частиц применима классическая теория; внешнее магнитное поле в плазме ударного слоя отсутствует; электронный газ является невырожденным; плазма ударного слоя находится в состоянии термодинамического равновесия; спускаемый аппарат имеет носовое притупление сферической формы. В результате расчета коэффициента отражения радиоволны от границы раздела «плазма ударного слоя - свободное пространство» показано, что в большинстве рассматриваемых случаев на высотах больше 60 км отражение радиоволн от границы раздела «плазма ударного слоя - свободное пространство» не будет критичным для обеспечения устойчивой радиосвязи со спускаемым аппаратом. При проектировании обтекателя спускаемого аппарата радиус его носового притупления следует выбирать меньше 10 см, что для высот больше 60 км обеспечит толщину ударного слоя порядка расстояния, на котором амплитуда волны изменяется в e раз, и затухание связного сигнала не будет критичным для обеспечения устойчивой радиосвязи со спускаемым аппаратом. Следовательно, в диапазоне высот 80-60 км при радиусе носового притупления обтекателя спускаемого аппарата меньше 10 см и излучении радиоволн в направлении строительной оси спускаемого аппарата в большинстве рассматриваемых случаев может быть обеспечена устойчивая одно- или двусторонняя радиосвязь со спускаемым аппаратом.

For citation

Zamarin M.E., Murlaga A.R. Evaluation of radio waves energy losses in plasma shock layer near critical point of lander // Journal of Radio Electronics. – 2026. – No. 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.1.4

References

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Lehnert R., Rosenbaum B. Plasma effects on Apollo re-entry communication //Publications. - 1965. - Т. 2. - С. 412.
  6. Безменов А. Е., Алексашенко В. А. Радиофизические и газодинамические проблемы прохождения атмосферы //М.: Машиностроение. - 1982.
  7. Morabito D. D. The spacecraft communications blackout problem encountered during passage or entry of planetary atmospheres //IPN Progress Report. - 2002. - С. 42-150.
  8. 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.
  9. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Справочник по физике //Для инженеров и студентов вузов/М., Издательство "Наука", издание третье. - 1965.
  10. Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. - 1960.
  11. Мартин Дж. Вход в атмосферу. Введение в теорию и практику. - 1969.