CC BY
62
Радиофизика
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2013, № в (1), с. 78-82
УДК 550.388
© 20l3 г.
ФОРМИРОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ АНТЕННЫ С ПОМОЩЬЮ ВЗРЫВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РЕЗОНАНСНЫЙ РАДИОРАЗРЯД В ИОНОСФЕРЕ
А.С. Белов/ И.А. Вдовиченко,2 Л.Е. Курина/ Г.А. Марков1
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского 2Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
ludmila. kurina@gmail. com
Поступила в рееакцию 22.02.2013
Исследовано воздействие взрывов на резонансный радиоразряд в ионосфере. Показано, что взрывное воздействие, осуществляемое одновременно с ВЧ-разрядом, позволяет сформировать плазменную антенну на больших высотах. Приведены результаты натурных экспериментов, подтверждающие высокую эффективность взрывного воздействия на ВЧ-разряд в ионосфере.
Ключевые слова: замагниченная плазма, ВЧ-разряд, активные ионосферные экперименты.
Как хорошо известно, возбуждение ВЧ-разряда в резонансном диапазоне частот возможно в результате ионизационного самокана-лирования плазменных и свистовых волн [1-3]. Натурные ракетные эксперименты [4-6] показали, что возбуждение ВЧ-разряда в плазме ионосферного типа приводит к формированию сильно вытянутых вдоль внешнего магнитного поля (А, > 102 - 103м, і±< 10 м) плазменных неоднородностей, в которых возмущения плотности плазмы (Ne) и температуры электронов (Те) по сравнению с их фоновыми значениями ^,0 и Ге0 могут быть весьма значительными: Д^, / Ne0 > 103, ДТе / Те0 > 103. Амплитудная модуляция подводимой к разряду ВЧ мощности приводит в данных условиях к формированию плазменной антенны на частоте модуляции разряда [7]. В этой связи вызывают особый интерес возможности увеличения энерговклада в ионосферную плазму за счет взрывного воздействия, осуществляемого одновременно с зажиганием ВЧ-разряда. Важно отметить, что в ионосферных условиях указанное усиление внешнего воздействия на плазму ионосферы достигается без существенного увеличения веса аппаратуры и устройств воздействия, что является существенным фактором при проведении активных экспериментов с борта летательного аппарата. Целью настоящей работы является исследование эффективности взрывного воздействия на ВЧ-разряд в ионосфере.
1. Изменение величины геомагнитного поля Н(?)в результате взрывного разлета плазмы описывается известным уравнением магнитной гидродинамики
- rot[V, h] = -—rot(o'rot h\ (1)
dt 4%
где V(r, t) - массовая скорость, с - тензор проводимости плазмы.
На начальной стадии взрывного разлета среды, пока ее скорость достаточно велика, магнитной вязкостью в данном уравнении можно пренебречь, так что магнитное поле движется вместе с частицами плазмы за счет так называемого эффекта «вмороженности» [8]. Условие «вмороженности» магнитного поля в плазму будет выполняться до тех пор, пока справедливо следующее ограничение на величину скорости разлета:
V >>
4пг
(о-1)г
(2)
хар
где гхар - характерный пространственный масштаб, в качестве которого при оценках можно использовать радиус фронта ударной волны
Г
хар гфр (геометрия возмущения представле-
на на рис. 1), (о 1)шах - максимальная компонента обратного тензора проводимости. При этом в начальный момент времени внешнее магнитное поле считаем однородным и направленным по оси 2 (Н 0 = Н 0 г 0).
Пока выполняется условие (2), в уравнении (1) можно пренебречь правой частью, что позволяет получить аналитическое решение для случаев, когда скорость взрывного разлета среды V(r, t) задается простейшими модельными представлениями. Для описания движения среды можно воспользоваться известной теорией сильного (в пренебрежении противодавлением,
2
c
Рфр >> р0) точечного взрыва [9], согласно которой решение газодинамической задачи с учетом теплопроводности можно получить только в численном виде. При этом граничные значения давления и скорости среды на фронте ударной волны, а также радиус фронта являются известными функциями времени, энерговклада взрыва W и параметров фоновой среды: плотности р0, показателя адиабаты у, безразмерных коэффициентов а и Р, учитывающих влияние теплопроводности (для воздуха т=1.4, а =0.5, Р-0.76):
8РЖ
Рфр^ ) =
25а(у + 1)Гф3р (t)
Vфр(t) =
4P%(t)
нитного поля Н(г, t) было рассчитано авторами в работе [10] и приведено ниже:
- (У + 1)(У +1 - 2р) x
H е (r, t) =
x (WIар0)4/518/5 x x[(у + 1)(WIар0)2/514/5 -
- 2pr2]2 H 0sinе,
0 <r < %(t); -H0sinе, r > r(7),
Hr (r, t) =
(у +1 - 2P)(W I р0 )2 / 51
(у + 1)(W Iр0)2/514/5 - 2pr2 x Hocosе, 0 < r < Гфр (t);
нOcosе, r > rфр(t).
, rфр(t) = (WI ар 0)‘I5 t2/5, (3)
фр 5(у +1>
здесь и далее индексы «фр» и «0» обозначают величину на фронте ударной волны и фоновую величину.
Для близкого к результатам численного расчета модельного представления скорости в виде
Vr(г, *) = Vфр(t)(г / гфр)3 возмущение
геомаг-
(4)
Более наглядное представление о структуре возмущенного магнитного поля дают соответствующие графические зависимости для азимутальной He (r, t) и радиальной Hr (r,t) компонент магнитного поля, приведенные на рис. 2. Для конкретных расчетов параметры фоновой среды выбраны типичными для нижней ионосферы; величина энерговклада взрыва (W = 40
кДж) соответствует взрыву пиропатрона массой 10 г. Пунктиром изображено диффузионное расплывание скачкообразного фронта.
Расчеты показывают, что изменение локальных значений геомагнитного поля АН в области взрыва достигает величин, сравнимых с величиной невозмущенного поля, что значительно превышает возмущение магнитного поля (несколько процентов) за счет диамагнитного эффекта в способах воздействия на ионосферу с помощью ВЧ-разряда без взрывного воздействия [7].
2. Как известно, скачок тангенциальной (в данном случае азимутальной) компоненты магнитного поля ДНе эквивалентен заданию поверхностного электрического тока с линейной плотностью /ф = c АН е /4л, обтекающего сферический фронт в полярном направлении. Полагая для оценочных расчетов величину изменения магнитного поля равной величине невозмущенного поля АНе « Н0 sin е и интегрируя плотность тока по поверхности фронта ударной волны, получаем следующее выражение для
x
Рис. 2. Зависимость азимутальной Н 0 (г, Г) и радиальной Нг (г, Г) компонент магнитного поля от радиальной координаты в фиксированный момент времени
тока Iф (t), формирующего магнитный диполь, ориентированный вдоль силовых линий внешнего поля: 1ф (t) « cH0^(t). При этом магнитный момент такого источника излучения составляет M2 (t) « Н0гф3р (t).
Величина нестационарного излучающего тока Iф (t) и соответствующего магнитного момента Mz (t) увеличивается с ростом радиуса фронта Гфр (t) до тех пор, пока выполняется указанное выше условие (2) «вмороженности» магнитного поля в плазму, а также условие «сильной» (Рфр >> р0) ударной волны.
В таблице приведены максимальные размеры радиуса фронта ударной волны r^* и характерные времена воздействия тразл,
рассчитанные в зависимости от массы m взрывчатого вещества в пиропатроне и высоты Н воздействия над Землей.
Характерные времена повторения взрывов, формирования и рассасывания магнитных неоднородностей определяют спектральный состав возбуждаемых магнитным диполем волновых процессов. Возможны две реализации взрывного воздействия на ионосферную плазму. Если взрывное воздействие осуществляется одовременно с зажиганием ВЧ-разряда (на больших высотах Н > 300 км для этого необходим напуск нейтрального газа), то ВЧ-разряд, вытягиваясь вдоль силовых линий магнитного поля, формирует плазменный волновод. В этом случае магнитные диполи, формируемые взрывами, будут возбуждать собственные моды такого волновода. Если же ВЧ-разряд отсутствует, т.е. плазменный волновод для излучателя не создан, то при частотах повторения взрывов порядка и менее 1 Гц такие магнитные диполи возбуждают быстрые магнитозвуковые волны.
Для оценки мощности предлагаемого излучателя, в случае достаточно длинной серии взрывов в плазменном волноводе, можно воспользоваться приближением непрерывного возбуждения и оценить мощность излучения очевидным образом: Ризл «1фRизл /2. Поскольку
ширина формируемого волновода порядка 10 м, радиус фронта ударной волны, наиболее эффективно излучающей моды вдоль дакта, должен быть порядка нескольких метров [11]. Согласно таблице, такие значения Гфр с большим запасом
удовлетворяют условию «вмороженности» даже при минимальном энерговкладе (взрыв пиропатрона массой 1 г). Соответствующее значение излучающего тока можно оценить по порядку величины как 1ф «150 А.
Принимая во внимание характерную величину сопротивления излучения [12], соответствующего возбуждению свистовых мод в плазменных волноводах в условиях верхней ионосферы (RИЗл * 0.1 Ом), получим следующее оценочное (снизу) значение мощности излучения при взрыве пиропатрона массой 1 г: Ризл « 1 кВт.
3. Обсуждаемая в работе методика воздействия на ионосферную плазму периодическими взрывами пиропатронов в сочетании с радиоразрядом, формируемым с борта метеоракеты, была опробована в экспериментах «Активный шнур» [13].
На рис. 3 приведены фрагменты телеметрической информации с борта ракеты МР-12, запущенной 06.02.1991 г. с полигона Капустин Яр в 20 ч 30 мин по московскому времени. Верхняя кривая (а) отражает относительные изменения ионного тока насыщения на ленгмюровский зонд, укрепленный на штанге-держателе ВЧ-антенны. Следующие две кривые показывают изменения сигналов с двух выходов бортового
155 154 153 ЩУІ
і і ■ і --------------------------------------------------------------------------------- ] 1 *■
_ • Г • 3 '_______■ • * ' ,т||| і і і і і Г
Рис. 3. Фрагменты телеметрической информации ионосферного эксперимента «Активный шнур» [13]. Осциллограммы ионного тока (а) и электромагнитных возмущений на двух частотах модуляции
/1 = 120 Гц (б) и /2 = 240 Гц (в)
Таблица
Н, км 300 400 500
т, г 1 10 1 10 1 10
тах Гфр , м 300 650 600 900 700 1000
Тразл, с 0.5 0.9 0.6 1.5 0.7 1.6
НЧ-приемника, настроенных на частоты /1 = 120 Гц (кривая б) и /2 = 240 Гц (кривая в). На горизонтальной оси отложены время с момента старта ракеты и высота подъема ракеты над землей (Н). Подрывы калий-литиевых пиропатронов были произведены на 176-й, 186-й, 198-й и 209-й секундах полета. После взрывов пиропатронов величина принимаемых бортовым приемником сигналов существенно уменьшалась, по-видимому, из-за уменьшения величины геомагнитного поля внутри фронта ударной волны и увеличения эффективной частоты столкновений электронов, обусловленной ростом плотности нейтрального газа в окрестности ракеты при взрывах.
Подрыв пиропатрона на 198-й секунде произошел во время работы ВЧ-генератора в режиме амплитудной модуляции на частоте 240 Гц, поэтому сигнал на третьей дорожке (кривая в) был зашкален до взрыва, после которого он уменьшился за 2 с до величины —0.014 Э, оказался замодулированным с частотой —4 Гц и еще через 3.5 с постепенно возвратился на прежний уровень (ДН > 0.04 Э). Ионный ток насыщения на зонд вырос после взрыва на (1.5 ^ 2) порядка за время —1.5 с, оказался за-модулированным с частотой — 4 Гц и затем ре-лаксировал к фоновому уровню за время — 4 с. Наблюдаемая модуляция связана с вращением ракеты и объясняется зависимостью величины
вводимой в разряд ВЧ мощности от угла поворота вектора поляризации электрического поля в применяемой антенне дипольного типа относительно направления геомагнитного поля. На втором канале НЧ-приемника, настроенном на частоту /1 = 120 Гц (кривая б), также видны все характерные возмущения, вызванные взрывами пиропатронов, что свидетельствует о широко-полосности возмущения.
Последний подрыв пиропатрона в момент 209 с был произведен во время пятисекундной паузы в работе генератора накачки. В этом случае возмущения ионного тока на зонд минимальны, однако НЧ-приемник зафиксировал генерацию электромагнитных возмущений на частотах (100 -^200) Гц в форме сравнительно коротких импульсов Д? —0.3 с и эховых сигналов (см. кривые б и в), что свидетельствует об излучательной эффективности взрывного воздействия.
Расположенный в районе озера Баскунчак наземный приемник «Тис» зафиксировал электромагнитное излучение на частотах /1 и / с амплитудой >10-7 А/м. Взрывы пиропатронов привели к расщеплению динамических спектров принимаемых сигналов и увеличению их амплитуды до величины — 10-6А/м [13].
4. Таким образом, осуществление взрывного воздействия одновременно с зажиганием ВЧ-
разряда в ионосфере позволяет существенно увеличить глубину модуляции геомагнитного поля в возмущенной области и сформировать эффективную плазменную антенну на больших высотах. Важно отметить, что возмущение магнитного поля ударной волной приводит к формированию излучающей плазменной антенны уже при однократном взрывном воздействии. Проведение серии взрывов с заданной частотой повторения, кратной частоте амплитудной модуляции радиоразряда, может оказаться весьма перспективным способом генерации низкочастотных электромагнитных сигналов в ионосфере. Результаты уже проведенных натурных экспериментов по изучению влияния взрывов пиропатронов на радиоразряд в ионосфере Земли продемонстрировали высокую эффективность комбинированного воздействия на ионосферу.
Работа выполнена при поддержке Правительства РФ (грант M11.G34.31.0048), РФФИ (грант №12-02-00747-а), а также Министерства образования и науки (соглашение М14.В37.21.0901).
Список литературы
1. Марков Г.А., Миронов В.А., Сергеев А.М. О самоканализации плазменных волн в магнитном поле // Письма в ЖЭТФ. 1979. Т. 29. Вып. 11. С. 672-676.
2. Кудрин А.В., Курина Л.Е., Марков Г.А. Ионизационное самоканалирование свистовых волн в столкновительной замагниченной плазме // ЖЭТФ. 1997. Т. 117. Вып. 4(10). С. 1285-1298.
3. Марков Г.А. Ионизационное самоканалирова-ние модулированных плазменно-волновых пучков в магнитном поле // ЖЭТФ. 1998. Т. 113. Вып. 4. С. 1289-1298.
4. Агафонов Ю.Н., Бабаев А.П., Бажанов В.С. и др. Плазменно-волновой разряд в ионосфере Земли // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15. Вып. 17. С. 1-5.
5. Агафонов Ю.Н., Бажанов В.С., Исякаев В.Я. и др. Стимулирование высыпания энергичных заряженных частиц плазменно-волновым разрядом в полярной ионосфере // Письма в ЖЭТФ. 1990. Т. 52. Вып. 10. С. 1127-1130.
6. Агафонов Ю.Н., Бажанов В.С., Гальперин Ю.И. и др. НЧ-возмущения в ионосферной плазме, стимулированные бортовым ВЧ-источником // Письма в ЖТФ. 1990. Т. 16. Вып. 16. С. 65-70.
7. Кудрин А.В., Марков Г.А., Трахтенгерц В.Ю., Чугунов В.Ю. Эффекты вторичного излучения при воздействии на ионосферу интенсивным электромагнитным пучком // Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т. 31, 32. С. 334-340.
8. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982. 623 с.
9. Коробейников В.П. Задачи теории точечного взрыва. М.: Наука, 1985. 400 с.
10. Курина Л.Е., Марков Г.А. Взрывное воздействие на резонансный радиоразряд в ионосфере Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 2006. Т. 46. № 6. С. 775-783.
11. Kudrin A.V., Es’kin V.A., Krafft C., Zaboronkova T.M. Whistler wave excitataion by a loop antenna in a bounded collisional magnetoplasma // Physica Scripta. 2008. V. 77. № 5. P. 055501-1-055501-11.
12. Еськин В.А., Кудрин А.В. Возбуждение волн свистового диапазона в столкновительной магнитоактивной плазме при наличии дактов с повышенной плотностью // Физика плазмы. 2009. Т. 35. № 9. С. 834-845.
13. Агафонов Ю.Н., Башилов Г.В., Марков Г.А., Чугунов Ю.В. Активная плазменная антенна в ионо-с фере Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т. 36. № 4. С. 206-211.
FORMATION OF A PLASMA ANTENNA BY AN EXPLOSIVE ACTION ON A RESONANT RF DISCHARGE IN THE IONOSPHERE
A.S. Belov, I.A Vdovichenko, L.E. Kurina, G.A. Markov
An impact of explosions on a resonant HF discharge in the ionosphere has been studied. An explosion produced simultaneously with an HF discharge is shown to form a plasma antenna at high altitudes. Measurement results on full-scale field experiments are given to confirm the high efficiency of the explosive action on the resonant RF discharge in the ionosphere.
Keywords: magnetized plasma, HF discharge, active ionospheric experiments.
