Новые антенны на космических кораблях помогут избежать радиомолчания во время возвращения

0
17

По мнению исследователей, новая антенна помогла бы будущим космическим кораблям не терять связь с ЦУПом во время их возвращения домой из-за образующейся пламенной оболочки супергорячей плазмы. Технология также могла бы помочь сохранять коммуникационные линии и для других сверхзвуковых летательных аппаратов, таких как военные самолеты и баллистические ракеты.

Когда транспортное средство движется на сверхзвуковой скорости, т.е скорости примерно в пять раз больше скорости звука, купол раскаленного воздуха окутывает его. Эта так называемая «плазменная оболочка» действует как зеркало для электромагнитных импульсов, что в большинстве случаев означает отрез транспортного средства от радиосвязи.

Авария космического корабля NASA «Апполон-13» в 1970 г. показала, насколько такое радиомолчание может быть чревато напряженностью. Во время входа поврежденного аппарата в атмосферу Земли, радиомолчание затянулось более чем на минуту, оставив аппарат без контроля, а людей в мучительном ожидании судьбы астронавтов.

Предыдущие исследования попытались решить данную проблему, но у них были недостатки. Например, ученые предложили изменить форму сверхзвуковых летательных аппаратов, потому что у остроносых аппаратов плазменная оболочка тоньше, чем у тупоносых. Но аппараты с тупым носом предпочтительнее, так как они лучше выдерживают сверхвысокие температуры, а также быстрее замедляются. Другой подход включал использование магнитных полей для управления плазменной оболочкой, или же закачку воды или других охлаждающих жидкостей в плазменную оболочку, для того чтобы сделать ее более проницаемой для радиосигналов. Но такие методы требуют дополнительную мощность и соответственно вес.

Сяотянь Гао, физик из технического университета в Китае, и его коллега Бинхао Цзян, показали, что они могли бы использовать саму плазменную оболочку для повышения сигнала от антенны во время сверхзвукового полета.

Исследователи объяснили, что когда электромагнитные колебания радиоантенн синхронизируются с частотой колебаний вынуждающей силы, явление известное как резонанс, за счет которого радиосигнал может быть усилен. Один из примеров резонанса, качели на детской площадке будет подниматься выше от повторных толчков. Другой пример резонанса, как оперная певица, взяв правильную ноту, разбивает бокал с шампанским.

Исследователи предположили, что если на радиоантенну добавить тщательно разработанный слой электрически изолирующего материала, то в сочетании с плазменной оболочкой этот слой будет генерировать резонансные условия во время сверхзвукового полета, и радиосигналы смогут распространяться через нее.

Для работы резонанса, толщина слоя этого материала и плазменная оболочка должны быть меньше чем длина волны радиосигнала, используемого для общения. Свойства плазменной оболочки могут измениться во время полета, усложнив усилия произвести резонанс, но исследователи предположили, что правильно подобранный слой, сделанный из материала, электромагнитные свойства которого могут быть изменены электрически, может компенсировать эти изменения.

Исследователи отметили, что у их нового подхода есть преимущества перед предыдущими попытками решить коммуникационную проблему. Их открытие не предполагает изменения формы или добавления веса, а также не расходует дополнительную энергию.

Однако Гао предостерег, что это открытие – только теоритическое. «Оно должно быть проверено дальнейшими экспериментами», — сказал он.

Исследователи не планируют построить такую сверхзвуковую систему сами. «Мы надеемся, что инженеры всего мира могут решить эту проблему, используя наш подход», — сказал Гао.

Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Physics 16 июня.