книги из ГПНТБ / Радиотехнические системы в ракетной технике

В системе используются два типа антенных элементов.

Первый тип представляет собой пару взаимно перпендикуляр­ ных диполей, размещенных на расстоянии от О,IX до 0,25Х, второй тип — четырехэлементную спиральную антенну. Антенные элементы образуют решетку с круговой симметрией, причем диаметрально противоположные антенные элементы связаны между собой через входы В каждого элемента так же, как элементы № п и № п+ 3 на рис. 7.14. Выход А каждого антенного элемента соединен с фа­ зосдвигающим устройством аналогично схеме адаптивной решетки (рис. 7.15).

Обнаруженный и отселектированный приемником сигнал по­ ступает к самофазирующейся решетке как опорный. Программи­ рующее и модулирующее устройства наделяют необходимой поме­ ховой модуляцией излучаемые сигналы решеток обоих типов.

7.6. Влияние плазмообразований на работу бортовых антенн

Ионизированный слой воздуха (так называемая пристеночная плазма), образующийся вокруг аппарата, входящего в плотные слои атмосферы с гиперзвуковой скоростью, за счет нагрева возду­ ха ударной волной и ионизации продуктов уноса теплозащитного покрытия, оказывает существенное влияние на работу бортовых ан­ тенн. В первую очередь ослабляется электромагнитная энергия. Ослабление сигнала определяется концентрацией свободных элек­ тронов Ne и эффективной частотой соударений vc. Указанные пара­ метры плазмы зависят от многих факторов, в том числе от скоро­ сти полета, плотности атмосферы (высоты), угла падения, геоме­ трии носовой части аппарата, места установки бортовых антенн и других причин. Помимо затухания при распространении электро­ магнитной энергии через слой плазмы искажается диаграмма на­ правленности и ухудшается коэффициент стоячей волны антенны. При этом уровень сигнала резко снижается при углах падения луча, превышающих критический, который определяется коэффи­ циентом преломления на границе раздела воздух — плазма.

Как показали эксперименты, наличие плазмы ведет к рассогла­ сованию приемопередающих антенн станций радиопомех с окру­ жающей средой, что является серьезным препятствием для созда­ ния активных помех на участке атмосферного спуска.

На рис. 7.17 приводятся диаграммы направленности щелевой антенны, заполненной тефлоном, в свободном пространстве и при наличии плазмы. Искажение диаграммы направленности увеличи­ вается с ростом отношения максимальной плотности электронов в плазме NMaKc к ее критическому значению.

Для снижения экранирующего действия ионизированной оболоч­ ки при входе баллистических и космических объектов в плотные

280

слои атмосферы, по мнению американских специалистов, возможен ряд конструктивных мер, основными из которых являются:

—впрыскивание в ионизированную оболочку различных приса­ док, снижающих степень ионизации (пары цезия, натрия и т. п.); ■— применение сильного статического магнитного поля, создаю­

щего «окно» в плазме для электромагнитной энергии;

—СВЧ-нагрев электронов ионизированной оболочки, в резуль­ тате чего электроны присоединяются к находящимся в ней моле­ кулам и атомам кислорода, образуя отрицательные ионы;

Угол падения луча Ф, град

Рис. 7.17. Диаграмма направленности щелевой антенны, заполненной тефлоном

—• использование электронного пучка и самой плазмы в каче­ стве передающих антенн станций радиопомех.

Впрыскивание в пристеночную плазму деионизирующих ве­ ществ до настоящего времени не дало обнадеживающих результа­ тов. Последнее объясняется отсутствием веществ, создающих ча­ стицы с энергией, соизмеримой с энергией электронов (что связано со значительными расходами вещества деионизатора).

Специалисты фирмы «Халликрафтерз» в настоящее время раз­ рабатывают метод снижения затухания радиоволн в плазме путем создания статического магнитного поля вокруг антенны головной части МБР. По заявлению специалистов фирмы, наличие статиче­ ского поля напряженностью 500 э уже достаточно для заметного снижения затухания радиоволн. Образование более сильных маг­ нитных полей с напряженностью свыше 1000 э может быть достиг­ нуто лишь с помощью сверхпроводящих электромагнитов с приме­ нением криогенной техники. На стадии первоначальных экспери­ ментов изучалось прохождение через плазму плоской волны, т. е. в случае, когда плазменный экран находится в дальней зоне пере­

281

дающей антенны. Если же плазменный экран находится в ближней зоне, то нужно учитывать воздействие плазмы на поле передающей антенны, поскольку изменение ближнего поля существенно влияет на поле излучения.

Способ снижения экранирующего действия плазмы путем СВЧнагрева электронов ионизированной оболочки исследуется специа­ листами Кембриджской научно-исследовательской лаборатории. Указанный способ демонстрировался во время лабораторных испы­ таний. Было отмечено, что образование отрицательных ионов мо­

жет интенсифицироваться вводом в ионизированную оболочку хи­ мических веществ.

Эксперименты по использованию горячей плазмы в качестве антенн начались в США в 1963 г. Было установлено, что для устра­ нения плазменного эффекта следует применять селективное возбу­ ждение плазмы электромагнитной энергией. Импедансы возбуж­ дающего элемента и плазмы, естественно, должны быть согласо­ ваны. В этом случае плазменный «столб», будет вести себя как ди­ электрический моновибратор с низкой, но конечной проводимостью (диапазон от единиц мо/см до единиц мо/км) и приемлемыми ха­ рактеристиками апертуры приемно-передающей антенны. Отноше­ ние излучаемой энергии к энергии возбуждения будет зависеть от размера плазменного «столба» (наилучшее соотношение в долях длины волны излучения составляет 0,57), а также от проводимости плазмы и ее диэлектрических констант. Принципиальной трудно­ стью при исполнении этого способа является трудность подведения электромагнитного поля к плазменному экрану. Технология насы­ щения плазмы химическими элементами для увеличения ее прово­ димости без повышения температуры была разработана в процессе проведения экспериментов (например, регулированием химического состава абляционных покрытий корпуса головной части).

С одной стороны, плазменные антенны чрезвычайно широкодиапазонны, с другой — характеризуются большими потерями: их к. п. д. значительно ниже, чем у проектируемых для этих же целей металлических антенн.

Для оценки прохождения электромагнитных волн через плазму чаще всего используют такие характеристики, как:

— проводимость плазмы

[7.23]

— эффективный диэлектрический коэффициент плазмы, опреде­ ляемый при ео=1 выражением

[7.24]

282

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