СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПЛАЗМЕННОЙ АНТЕННЫ
METHOD TO CREATE PLASMA ANTENNA

Предлагаемое изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для исследования магнитосферы Земли и для задач дальней НЧ радиосвязи.
Известен способ создания плазменных антенн, при котором в ионосфере Земли плазменный столб формируют путем возбуждения и самофокусировки вдоль магнитного поля Земли косых ленгмюровских (плазменных) волн, зажигающих ВЧ разряд в ионосферной плазме (RU 1304694 С, опубл. 30.04.94 г., кл. H01Q 9/00).
Известен также способ создания плазменных антенн, в котором в нижней ионосфере формируют плазменный столб путем возбуждения самосогласованного вдоль геомагнитного поля плазменно-волнового ВЧ разряда в поле косых ленгмюровских волн и его поляризации НЧ сигналом, в области ВЧ разряда формируют ускоряющее поле (SU 1786969 Аз, опубл. 30.04.94 г., кл. H01Q 9/00).
Недостатком известных способов является малая мощность излучения плазменных антенн. Поскольку токи возбуждались в результате диамагнитного эффекта при очень небольшом (всего несколько процентов) вытеснении магнитного поля из области ВЧ разряда, а как известно, величина плотности поверхностного тока пропорциональна величине изменения магнитного поля, то величина токов, излучающих полезный сигнал, была невелика, не превышала несколько ампер. Соответственно, мощность излучения, как известно, пропорциональная квадрату величины тока, была недостаточна для эффективного исследования ионосферы.
Известен способ модификации локальных параметров ионосферной плазмы путем формирования искусственного плазменного образования (ИПО) - плазменных антенн, осуществляемого периодическим возбуждением и самофокусировкой плазменных волн, зажигающих высокочастотный разряд (ВЧ) в ионосферной плазме. Способ заключается в периодическом (по заданной циклограмме) формировании искусственного плазменного образования с частотой полезного низкочастотного (НЧ) сигнала. ИПО формировалось при зажигании в ионосфере ВЧ разряда полем пучка интенсивных плазменных волн, инжектируемых с борта ЛА (метеоракеты) малогабаритной антенной плазменных волн и модулированных по амплитуде на частоте полезного НЧ сигнала. Данный способ позволил получить изменение плотности плазмы более чем в 10 раз, а также потоки частиц с энергией ~3 кэВ с возросшей более чем в три раза плотностью при мощности генератора накачки W≈1 кВт. Однако соответствующие изменения продольной и поперечной проводимостей плазмы, оказывающие непосредственное воздействие на ионосферную токовую систему, сравнительно невелики.
Возбуждение излучающих полезный сигнал НЧ токов в плазме искусственного образования осуществлялось за счет диамагнитного эффекта при сравнительно небольшом (несколько процентов) вытеснении магнитного поля из ИПО. В результате в ионосфере образуется магнитная катушка с характерными размерами ИПО.
n
o
Созданное таким образом ИПО с ΔN/N~10 сильно вытянуто вдоль магнитного поля вследствие диффузионного и теплового расплывания. Его длина сильно зависит от высоты Н ионосферы и достигает L~1 км (Н~130 км). Поперечный размер ИПО гораздо меньше продольного и слабо зависит от высоты, будучи порядка d~10-15 м.
Таким образом, с точки зрения воздействия на ионосферную токовую систему, описанный способ представляется недостаточно эффективным. Вследствие ограниченности энерговклада в ионосферную плазму, свойственной этому способу, поперечный размер ИПО много меньше характерного поперечного размера естественной токовой струи, глубина и скорость модуляции параметров плазмы ограничены, возмущение магнитного поля в ИПО незначительно.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ модификации параметров ионосферной плазмы, защищенный патентом на изобретение RU 1702856 С1, опубл. 30.04.1994 г., кл. Н05Н 1/00, принятый за ближайший аналог.
1
взр
o
взр
1
o
Способ по прототипу включает формирование искусственного плазменного образования высокочастотным разрядом в поле бортового высокочастотного источника. Одновременно с высокочастотным разрядом формируют расходящиеся акустические ударные волны путем создания в области высокочастотного разряда серии взрывов при выполнении условия, накладываемого на размеры области взрыва R>R>d, где R - радиус области взрыва, R - характерный поперечный размер ионосферной токовой струи, d - невозмущенный размер ИПО. За счет увеличения энерговклада в искусственное плазменное образование увеличиваются размеры области модификации, глубины и скорости модуляции параметров плазмы.
Преимуществом и общим признаком с предлагаемым изобретением является создание искусственного плазменного образования (плазменной антенны) за счет формирования расходящихся акустических ударных волн с нестационарным электрическим током, протекающим по поверхности фронта ударной волны и излучающим электромагнитные волны НЧ диапазона, путем последовательных взрывов пиропатронов с борта летательного аппарата.
Однако способ по прототипу не лишен недостатков. Способ по прототипу направлен на увеличение размеров области модификации, глубины и скорости модуляции искусственного плазменного образования на высотах нижней ионосферы, высоты порядка ста километров. Это делает невозможным его использование в верхней ионосфере и/или в магнитосфере Земли, поскольку ВЧ разряд сложно реализовать на высотах более 200 км из-за малой плотности фоновой среды, что снижает качество НЧ радиосвязи и эффективность исследований магнитосферы Земли.
В задачу изобретения положено создание высокоэффективной плазменной антенны в верхней ионосфере и/или в магнитосфере Земли.
Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в увеличении мощности НЧ источника электромагнитного излучения (плазменной антенны), повышении эффективности исследований магнитосферы Земли, улучшении качества НЧ радиосвязи.
Поставленная задача достигается тем, что в способе создания плазменной антенны, включающем формирование плазменного волновода высокочастотным разрядом с одновременным формированием расходящихся акустических ударных волн с нестационарным электрическим током, протекающим по поверхности фронта ударной волны и излучающим электромагнитные волны НЧ диапазона, путем последовательных взрывов пиропатронов, формирование плазменного волновода и расходящихся акустических ударных волн осуществляют в верхней ионосфере и/или в магнитосфере Земли, зажигание высокочастотного разряда осуществляют одновременно с напуском нейтрального газа; для зажигания высокочастотного разряда в состав аппаратуры включают ВЧ генератор и кассету с нейтральным газом.
На фиг. 1 изображена геометрия возмущения геомагнитного поля в результате точечного взрыва.
На фиг. 2 приведена таблица 1, показывающая зависимость максимальных размеров радиуса фронта ударной волны от массы взрывчатого вещества в пиропатроне и высоты взрывов над Землей.
Предлагаемый способ создания плазменной антенны осуществляют следующим образом.
0
С Земли осуществляют запуск летательного аппарата с необходимой для реализации способа аппаратурой. После его выхода в заданную точку ионосферы/магнитосферы Земли (на высоте 200-500 км от поверхности Земли) производят подрыв первого пиропатрона, приводящий к разлету плазмы из области взрыва и значительному уменьшению локального значения геомагнитного поля (H) внутри фронта ударной волны.
Изменения величины геомагнитного поля H(t) в результате взрывного разлета плазмы описывается известным уравнением магнитной гидродинамики
2
-1
∂Н/∂t-rot[V,H]=-crot(σrotH)/4π,
где σ - тензор проводимости плазмы, V(r,t) - массовая скорость, известная из газодинамической теории точечного взрыва [1].
На начальной стадии взрывного разлета среды, пока скорости достаточно велики, магнитной вязкостью в данном уравнении можно пренебречь, и магнитное поле движется вместе с частицами плазмы за счет, так называемого, эффекта «вмороженности» магнитного поля в плазму. Условие «вмороженности» будет выполняться до тех пор, пока справедливо следующее ограничение на величину скорости разлета
<mrow><mi>V</mi><mo>></mo><mo>></mo><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>σ</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mn>4</mn><mi>π</mi><msub><mi>r</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>               </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
фр
где r - радиус фронта ударной волны.
θ
Возмущение азимутальной компоненты геомагнитного поля H(r,t) внутри области, ограниченной фронтом ударной волны, в пренебрежении вязкостью рассчитывается по следующей формуле
0
где W - энерговклад взрыва, ρ - плотность фоновой среды, γ - показатель адиабаты, α и β - безразмерные коэффициенты, учитывающие влияние теплопроводности (для воздуха α≈0,5 и β≈0,76).
фр
Радиус фронта r ударной волны, разбегающейся от центра взрыва, растет в соответствии с теорией точечного взрыва [1]
<mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>W</mi><mo>/</mo><mi>α</mi><msub><mi>ρ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>5</mn></mrow></msup><msup><mi>t</mi><mrow><mn>2</mn><mo>/</mo><mn>5</mn></mrow></msup><mo>,</mo><mtext>                                    </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
и зависит только от энерговклада взрыва W и плотности фоновой среды ρ.
θ
θ
Расчеты показывают, что уменьшение азимутальной компоненты геомагнитного поля ΔН в области взрыва достигает значений, сравнимых с величиной невозмущенного поля. Как известно, изменение тангенциальной (в данном случае азимутальной) компоненты магнитного поля ΔН приводит к генерации поверхностного электрического тока с линейной плотностью
φ
θ
i=сΔН/4π.
φ
θ
0
θ
Таким образом, плотность генерируемого тока зависит только от азимутального угла θ(i~sinθ) и от величины изменения магнитного поля внутри фронта ударной волны. Полагая для оценочных расчетов величину изменения магнитного поля равной величине невозмущенного поля ΔН~Hsin, получим следующую оценку величины плотности тока
φ
θ
i≈50sin (A/м).
Проинтегрировав плотность тока по поверхности фронта ударной волны, получим следующее значение для тока, формирующего магнитный диполь, ориентированный вдоль силовых линий внешнего поля
φ
0
фр
I≈сНr(t).
При этом магнитный момент такого источника излучения равен
φ
0
фр
3
M(t)≈Нr .
φ
φ
фр
Величина нестационарного излучающего тока I(t) и соответствующего магнитного момента M(t) увеличиваются с ростом радиуса фронта r(t) разбегающейся от места взрыва ударной волны (см. (3)). Это увеличение имеет место до тех пор, пока выполняется указанное выше условие «вмороженности» (1), т.е. пока магнитное поле выносится из области взрыва вместе с плазмой.
<mrow><msubsup><mi>r</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>max</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>r</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>max</mi></mrow></msubsup></mrow>
На фиг.2 в таблице 1 приведены максимальные размеры радиуса фронта ударной волны
, пока скорость разлетающейся от центра взрыва плазмы еще достаточно высока, чтобы выполнялось условие «вмороженности» (1) магнитного поля в движущуюся среду. Максимальные размеры радиуса фронта ударной волны
фактически означают размер плазменной антенны и рассчитаны в зависимости от массы взрывчатого вещества в пиропатроне (m) и высоты взрывов над Землей (Н).
Времена повторения взрывов, формирования и рассасывания магнитных неоднородностей определяют спектральный состав возбуждаемых магнитными диполями волновых процессов. Здесь возможны две реализации взрывного воздействия на ионосферную плазму.
Если ВЧ разряд не реализуется, т.е. плазменный волновод для излучателя не создан, тогда при частотах повторения взрывов порядка и менее герца такие магнитные диполи возбуждают БМЗ волны.
Если в состав аппаратуры летательного аппарата включить ВЧ генератор и кассету с нейтральным газом, и одновременно с взрывным воздействием осуществить напуск нейтрального газа и зажигание ВЧ разряда в напущенном газе, то ВЧ разряд, вытягиваясь вдоль силовых линий магнитного поля, сформирует плазменный волновод. В этом случае магнитные диполи, формируемые взрывами, будут возбуждать собственные альвеновские волны такого волновода.
Все вышеописанные волны, возбуждаемые предлагаемым НЧ источником излучения, слабо затухают в магнитосфере и могут использоваться для диагностики околоземного пространства и возбуждения магнитосферного мазера.
Оценим мощность предлагаемого излучателя для случая возбуждения собственных мод плазменного волновода. В случае достаточно длинной серии взрывов, когда можно воспользоваться приближением непрерывного возбуждения, можно оценить мощность излучения следующим образом
фр
фр
φ.
Поскольку ширина формируемого волновода порядка 10 м, радиус фронта ударной волны r, наиболее эффективно излучающий моды вдоль дакта, должен быть порядка 3-5 м. Согласно таблице 1, приведенной на Фиг.2, такие значения r с большим запасом удовлетворяют условию «вмороженности». Соответствующее значение излучающего тока можно оценить I≈150 A.
изл
изл
Принимая во внимание характерную величину сопротивления излучения, соответствующего возбуждению мод в плазменных волноводах в верхней ионосфере и магнитосфере (R≈0,1 Ом), получим следующее оценочное (снизу) значение мощности излучения при взрыве пиропатрона массой всего 1 г, P≈1 кВт.
изл
Полученное значение тока в десятки раз превышает величину излучающего тока при диамагнитном эффекте, запатентованном в способах воздействия на ионосферу с помощью ВЧ разряда без взрывного воздействия. Как известно (см. соотношение (4)), мощность излучения P пропорциональна квадрату тока, поэтому мощность излучения при взрывном формировании излучателя превосходит мощность излучения в способах без взрывного воздействия уже в сотни раз.
Осуществление зажигания высокочастотного разряда одновременно с напуском нейтрального газа позволяет реализовать предлагаемый способ при малой фоновой плотности в верхних слоях ионосферы и/или в магнитосфере Земли, обеспечивает увеличение мощности плазменной антенны, что повышает эффективность исследований магнитосферы Земли, улучшает качество НЧ радиосвязи.