Файл: Радиотехнические системы в ракетной технике..pdf

Выражения [7.23] и [7.24] являются решением дифференциаль­ ного уравнения, связывающего вектор напряженности магнитного поля с вектором плотности электрического тока и вектором напря­ женности электрического поля для газообразной среды со свобод­ ными зарядами. Основные допущения, принятые при решении этого дифференциального уравнения, таковы:

— плазменная среда состоит из электронов и ионов;

(другие заряженные частицы оказывают на нее пренебрежимо ма­ лое влияние вследствие их большой массы);

■— средняя частота соударений электронов не зависит от их скорости.

Состояние плазмы может характеризоваться так называемой глубиной проникновения электромагнитной волны в плазму или расстоянием, на котором электромагнитная волна ослабляется на

Поглощение и относительный фазовый сдвиг электромагнитной волны в неограниченной изотропной плазменной среде могут быть получены для более общего случая в предположении, что электро­ ны распределены в плазме равномерно*.

Удельный коэффициент потерь на распространение электромаг­ нитной волны в плазменной среде равен (в дб/м)

кр— коэффициент поглощения, определяемый выражением

* Это положение в общем случае несправедливо, ибо распределение элек­ тронов, например в плазменных следах за ГЧ, неравномерное. Однако оно мо­ жет быть применимо к относительно небольшим объемам плазмообразований, размеры которых достаточно велики по сравнению с длиной волны. Полное по­ глощение может быть получено как результат суммирования для отдельных «однородных» плазменных областей.

283

Относительный сдвиг фазы электромагнитной волны в рад/сек

где показатель преломления

Если дополнительно предположить, что граница плазмообра­ зующего объема является бесконечной плоскостью, волна падает под прямым углом, а магнитные проницаемости плазмы и воздуха одинаковы, то коэффициент отражения

Результаты расчета с использованием экспериментальных дан­ ных для равновесных условий распределения Ne и vc в пристеноч­

ер= —1300(1+0,0356/) при частоте fr = 10 Ггц. Для указанных усло­ вий шр/шг =36, vc/o)f =0,16 (vc принята равной 1010 гц, что соот­

ветствует температуре 2000—4000 К) электромагнитная волна зату­ хает в плазме и Др = 0,005 см. Иначе говоря, в окрестности крити­ ческой точки ГЧ плазма экранирует радиосигналы на частоте око­ ло 10 Ггц. Общий характер изменения глубины проникновения электромагнитных волн в плазму (при заданных значениях vc и шР) в функции о)Г показан на рис. 7.19.

284

Рис. 7.18. Распределение концентрации электронов Ne в плазменном слое (а) и частоты столкновений v0 (б) в зависимости от положения точки на теле

Глубина проникновения Лр

285

Таким образом, за рубежом делают вывод: для уменьшения экранирующего влияния плазмы необходимо при заданной частоте радиосигнала существенно уменьшать концентрацию электронов Ne и частоту их соударений vc-

Обычно антенны бортовых радиотехнических устройств на ГЧ могут также работать в режиме приема радиосигналов наземных РЛС. В этом случае обычно оценивают эффективную шумовую температуру бортовой приемной антенны. Шумы бортовых прием­ ных антенн ракетных станций радиопомех на этапе спуска в атмо­ сфере содержат следующие основные компоненты:

— шумы, излучаемые плазмообразованиями вокруг объекта;

— шумы от внешних источников, проникающие через плазму на вход бортовой антенны;

— шумы теплового излучения нагретого корпуса объекта, отра­ жаемые от плазмы (т. е. возвращающиеся на вход антенны).

В результате ряда экспериментов было установлено, что:

—при сог~шр результирующая шумовая температура антенны зависит в основном от теплового излучения собственно слоя плазмы;

—при мг^>и>р результирующая шумовая температура зави­

венно, двусторонней связи с космическим летательным аппаратом) на этапе атмосферного спуска представляют тепловые шумы плазмы, возникающей вокруг спускающегося объекта.

С этой целью в США был проведен летный эксперимент по из­ мерению шумовой температуры плазмы и коэффициента потерь в антенне, установленной на ГЧ. В качестве носителя использо­ валась твердотопливная ракета «Треплблезер-П», обеспечившая скорость входа ГЧ в плотные слои атмосферы свыше 6 км/сек. На головной части ракеты были установлены три антенны (типа открытого волновода, заполненного диэлектриком) сантиметрового диапазона (6—19 см): в носике баллистического наконечника, у основания баллистического наконечника и на боковой поверхности ГЧ. Шумовая температура плазмы и коэффициент отражения, представленные в табл. 7.3, измерялись радиометром на частоте

2235 Мгц.

Основные результаты эксперимента:

— на высотах свыше 65 км антенна, расположенная в носике баллистического наконечника, окружена плазмой, находящейся в состоянии теплового равновесия (т. е. плазма может быть пред­ ставлена в виде однородного слоя), в результате чего шумовая температура превышает критическую и коэффициент отражения электромагнитной волны (по мощности) близок к единице;

286

Т а б л и ц а 7.3

Экспериментальные значения эффективной шумовой температуры плазмы Тш и коэффициента гш потерь в антенне

— на высотах несколько ниже 65 км эта антенна связана с по­ граничным слоем (Тш меньше критической, плазма находится в пе­ реуплотненном состоянии), коэффициент потерь также близок

кединице;

—на высотах около 25 км плазма переходит в разреженное со­ стояние, в результате чего коэффициент потерь в антенне падает до 0,2—0,3;

—на величину Тш и гш антенн, установленных на боковой по­ верхности ГЧ и у основания баллистического наконечника, сущест­ венное влияние оказывают угол атаки головной части и ее враще­

ние вокруг продольной оси (эти процессы перемещают точку тормо­ жения, в результате чего разница шумовых температур для антенн, находящихся с подветренной и наветренной сторон, может дости­ гать 2000 К );

— наличие защитного покрытия снижает шумовую температуру антенны на боковой поверхности ГЧ до 3000 К, а коэффициент по­ терь около 0,2 во всем диапазоне высот.

7.7. Повышение эффективности станций радиопомех

Особенности применения активных помех для защиты ГЧ от системы ПРО позволяют иностранным специалистам повышение эффективности станций радиопомех свести к решению следующих основных вопросов:

—к повышению энергетического потенциала станций помех;

—к расширению рабочего диапазона частот;

—к увеличению радиационной стойкости помеховой аппара­

туры;

— к снижению высоты эффективной работы станции путем ком­ пенсации экранирующего влияния плазмообразований.

287

Естественно, что эти вопросы должны решаться в условиях мак­ симального снижения веса и габаритов аппаратуры помех, разме­ щаемой на борту ракет.

По мнению американских специалистов, мощности излучения помеховых сигналов должны повышаться путем разработки высоко­ эффективных усилителей и генераторов, специально предназначен­ ных для целей РИД, с к. п. д. в 40—60% и выше. Другой путь —

непосредственного наращивания мощности передающих устройств является очень сложной, а для авиационно-космической аппара­ туры РПД часто практически невыполнимой задачей. Поэтому большое значение имеет рациональный выбор антенной системы, обеспечивающей концентрацию излучаемой энергии в узком луче. Направленное излучение позволяет уменьшить выходную мощность оконечных устройств передатчика помех или при заданной мощ­ ности отдельных устройств получить существенное увеличение излучаемой мощности помехи, а также распределить имею­ щуюся мощность помехи для подавления нескольких радиолока­ торов.

Возможно использование двух основных типов направленных антенных систем — с механическим и электронным сканированием луча. Последний тип основан на конструировании станций помех с фазированными антенными решетками. При использовании фази­ рованных антенных решеток можно получить увеличение уровня излучения на порядок и более по сравнению с обычными самолет­ ными станциями помех (уровень мощности современных самолет­ ных магнетронных станций радиопомех, по мнению проектировщи­ ков, близок к предельно достижимому).

Как показано выше, в новых станциях с фазированными антен­ нами применяют каскады, выполненные на маломощных транзисто­ рах. Каждый транзистор способен питать один антенный элемент, согласованный по фазе со всеми остальными элементами для по­ лучения мощностей излучения порядка десятков киловатт. Приме­ нение фазированной антенной решетки позволит изменять положе­ ние луча в пространстве с высоким быстродействием, благодаря чему бортовая станция РПД сможет подавлять одновременно несколько РЛС независимо от ориентации носителя.

В отличие от фазированных решеток антенны с механическим управлением являются одноканальными, так как воздействуют только на те РЛС, которые в данный момент находятся в пределах одного луча. Однако возможность создания в космосе антенн с большой апертурой является важным преимуществом антенн обычного типа, так как приводит к снижению веса станций помех. К снижению веса и габаритов приводит также использование ма­ логабаритных бортовых источников пцтаниц,

268