CC BY
11
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т. 15. № 5-2023
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА Сс1: 10.36724/2409-5419-2023-15-5-4-10
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕННЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
МАЖНИК
Илья Валерьевич 1
АННОТАЦИЯ
Введение: В условиях гиперзвукового полета космического аппарата в плотных слоях атмосферы связь прерывается. Разогрев воздуха вокруг аппарата, вследствие большой скорости, приводит к образованию плазменной оболочки, параметры которой резко изменяются по траектории полета. Максимальная температура на поверхности космического аппарата может достигать 6000 градусов Кельвина. Для защиты бортовой антенны от нагрева используют теплозащитный радиопрозрачный материал. Из-за температурного изменения электрических характеристик теплозащиты, и наличия слоя плазмы, ухудшается распространение радиоволн. Цель работы: Определение радиотехнических характеристик бортовых антенн возвращаемых космических аппаратов, с воздействием нагрева на теплозащиту антенны и воздействию плазменного образования, на основании разработанной математической модели антенны с теплозащитой, учитывающую условия эксплуатации. Методы: Из известных аналитических методов решения возможно применение метода интегральных преобразований и метода собственных функций. Оба эти метода и использованы в работе. При этом использовано предположение, что электрические параметры диэлектрической пластины (теплозащиты) и геометрические размеры не зависят от времени. Результаты: Получены соотношения, описывающие диаграмму направленности прямоугольного волновода с диэлектрической теплозащитой и слоем плазмы, учитывающие их электрические параметры и толщину. Представлены уравнения, описывающие граничные условия электродинамической модели. Проведен расчет с целью определения влияния изменения толщины и электрических параметров теплозащиты и слоя плазмы на коэффициент полезного действия и диаграмму излучения. Результаты показали, что параметры плазменной оболочки может видоизменить диаграмму направленности и повлиять на КПД бортовой антенны. Практическая значимость: Разработка математической модели основных радиотехнических характеристик бортовых антенн, с учетом воздействия высокотемпературного аэродинамического нагрева и слоя плазмы, а также результаты численных расчетов, могут быть применены при разработке рекомендаций выбора теплозащиты и рекомендации расположения бортовых антенн на космических аппаратах.
Сведения об авторе:
1 аспирант, ассистент, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, г Санкт-Петербург, Россия
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: космический аппарат, бортовая антенна, прямоугольный волновод, однородная теплозащита, полетная плазма, коэффициент полезного действия
Для цитирования: МажникИ.В. Характеристики излучения антенны космических аппаратов // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2023. Т. 15. № 5. С. 4-10. Сс1: 10.36724/2409-5419-2023-15-5-4-10
М. 15. N0. 5-2023, И&ЕБ РЕБЕАРОИ
AVIATION, БРАОЕ-РООКЕТ ИAРDWAРE
Введение
На траектории спуска космического аппарата радиосвязь прерывается. Это связано с тем, что в условиях гиперзвукового полета в плотных слоях атмосферы образующая вокруг аппарата ударная волна порождает высокотемпературный нагрев. Разогрев воздуха, окружающего КА, приводит к термической ионизации воздуха за фронтом ударной волны, т.е. образованию плазменной оболочки, параметры которой резко изменяются по траектории полета [1-7]. Для защиты от нагрева бортовая антенна закрывается нагревостойкой радиопрозрачной теплозащитой [8-10]. Расчет совместного влияния теплозащитного диэлектрика и плазмы на характеристики антенн позволяет обеспечить условия прохождения электромагнитных волн с минимальными потерями энергии и уменьшить период потери радиосвязи с КА. Решение этой задачи невозможно без проведения математического моделирования.
Методы и результаты исследований
Бортовые антенны летательных аппаратов являются слабонаправленными, что достигается излучением из открытого конца волновода [11-13]. Опишем электродинамическую модель изображённую на рисунке 1. Имеется излучающий раскрыв антенны, расположенный на бесконечном экране, перед которым находится диэлектрический слой толщиной 4 с комплексной диэлектрической проницаемостью еа1 (х,у,г), за ним слой толщиной d2 с комплексной диэлектрической проницаемостью еаг (х,у,г). Бесконечный экран соответствует металлическому корпусу КА, первый слой эквивалентен твердому диэлектрическому слою теплозащиты, второй плазменной оболочке. Расчет совместного влияния теплозащитного диэлектрика и плазмы на характеристики антенн сводится к решению задачи излучения апертуры через двухслойную структуру с параметрами диэлектрика [14].
Рис. 1. Электродинамическая модель бортовой антенны: (11 - толщина однородного слоя теплозащиты; (12 - толщина однородного расплавленного слоя или плазменной оболочки; а - размер широкой стенки волновода; х,у,г - декартовы координаты; 1 - область, занимаемая диэлектрической защитой; 2 - область расплавленного слоя или плазменная оболочка, 3 - свободное пространство
Магнитная составляющая электромагнитного поля в декартовой системе координат х, у, ъ удовлетворяет следующему волновому уравнению [15]
5х 2
о
дг
2 + к еа-Нх = О,
д2иу д2 Ну
- +-+ -
дх2
¿У ^
дг
2 + к ^аНу = о,
(1)
(2)
где к - волновое число, еа - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, которая имеет вид:
/ ь\
где £0 - электрическая постоянная, е[ - относительная диэлектрическая проницаемость, которая принимает следующие обозначения
6^2, при ^ < г <
при 0 < г < 1, при г > (4 + й2).
Диэлектрические параметры слоя плазмы, где нет магнитного поля в плазме (д = 1) и внешнее электромагнитное поле имеет малую напряженность, определяется следующим выражением:
^2 = 1-
СО,
2 2 а + и
„ ар и/со
2 2 ' а + и
В дальнейшем е[ и е'2 будем обозначать, как е1 и е2.
В области плазменного слоя происходит затухание и отражение. Количественно эти явления зависят от частоты соударения электронов о, угловой частоты а и угловой плазменной частоты электронов в плазме сор следующим
образом:
Юр =
Ы„в
епт
где N - концентрация электронов, е - заряд электрона, т - масса электрона.
Приближенное значение о, учитывающее постоянную величину эффективного поперечного сечения для данного вида частиц (0,), определяется следующим образом:
и =
8ккТ
I NЙQ1,
где кб - постоянная Больцмана, Т - температура, Nр - кон-
центрация/'-го вида частиц.
Представим составляющие электромагнитного поля в виде углового спектра плоских волн, для чего применим прямое преобразование Фурье [16].
Нх = / / Нх(х,у,г)ещ>(-Цкхх + куу + к2г))<х<у,
(3)
Н у = I \Ну (х> У' 2)еХР("/(кхХ + куУ + к22)УЫу.
(4)
где кх, ку - проекция волнового числа на ось х,у, z.
С учетом (3), (4) и уравнения (1), (2) перепишем в виде
dz
<2 Н
-+(к2в1 - к2х - к2у )Нх = о,
-ту + (кЧ - к2 - к2)Ну = 0. dz
(5)
(6)
Решение уравнений (5) и (6) для области 1(0 < z < имеет вид
= А ■ ехр (-Укzl z) + В ■ ехр z), НI1) = Ь ■ ехр (-Д. z) + М • ехр (ук^ z), для области 2( d1 < г < ^)
^ = С ■ ехр (-Д.2z) + Б ■ ехр {yjkz1 z), Н^ = N ■ ехр {-jkzг z) + О • ехр (ук^ z), для области 3 (z > < + <2))
Н хз)= С • ехр (- ук^), (7)
Нуз)= Р • ехр (- ук^), (8)
Из уравнений Максвелла
„ аНу /. Е аНх
Е =--Пте0, Еу =-
Пюе0.
^ " у dz В результате получаем следующие уравнения
Е(!) =--■ ехр (-ук^ z)-М • ехр (ук^ z )),
(9)
? (2)
? (3)
• ехр (-А2 z) - О ■ ехр (]'кг2 z)) :
Ю£,
-Р • ехр (-ук^
Е= ——(А • ехр (-ук^ z) - В • ехр (ук^ z)),
СО 3 0 3 ^ ^ '
к
^ = • ехр (~'к* z) - В • ехр К z)),
0 2
Е■ ехр ).
Неизвестные константы интегрирования А, В, С, Б, в, Ь, М, М, О, Р определяются из граничных условий при ъ = 0, ъ = dl и ъ = d2. Граничные условия при излучении из прямоугольного волновода, определяются волнами типа Ню.
__**_( Ь - М) и = о; А - В) ^ _0 = Е^ ■
л->с С 4 ' Л1С с 4 ' •/и
(Ь • ехр (-А, <) - М ■ ехр (А, <)) ^=< =
= -¡^т (N ■ ехр (- jkzг ) - О • ехр {А2 ));
г, 2
(А ■ ехр (-) - В ■ ехр )) ^==
= (С • ехр {-JkzI ) - Б • ехр (jkz2 ));
~-х-у ((Ь ■ ехр ) + М • ехр (/к^ <1Х +
+ (к - кх2) • (А • ехр (-укг1 ) + В ■ ехр с11)) ^== = е, ^(к22 - к2х) (С • ехр (-ук^ <х) - Б • ехр {у]к1г<х)| -~-х-у (N ■ ехр (-jkzг ) - О • ехр {yjkzг <х ;
(к12 --2у ) (Ь ■ ехр (-у-z1 <1)+М ■ ехр (А, <)) -
- кхку ((А ■ ехр (" <1) + В • ехр (А, <1))) ^=а, = = е, ^(-22 --2у) (^ • ехр (- jkz2 ) - О ■ ехр {jkzI <1)) -
~-х-у (С • ехр (-jkzI ) - Б ■ ехр <х)11;
(^ ■ ехр (-(<! + <2))- О ■ ехр ((+ <2 )))|г=+ <г =
в-, к,
Р ■ ехр (-(<1 + <2));
2
(^ ■ ехр ("(<! + <2 )) - О ■ ехр (+ <2 ))) |г = + <2 =
= Р . ехр (-(<х + <2 ));
z2
(С • ехр (" у'-;, (<1 + < 2 ))" Б • ехр (( <1 + < 2 )))|г = + <2 =
= О • ехр (-(+ <2));
z2
-х-у ((N • ехр (-ук^ (<! + <2 )) + О • ехр (укг2 (+ <2 )))| +
+ (-22 " -х2 ) • (С • ехр (<1 + <2 )) + Б • ехр (у-:, (<1 + <2 ))) 1г=<, + <2 = = е2 2 - ¡1 • ехр(-(+ <2))- кхкуР ■ ехр(-jkz (<[ + <2
(к22 " ¡у ) • ехр (- А2 (<1 + <2)) + О • ехр ((<1 + <2))) "
-кхку ((С • ехр (-,)к22 (<! + <2)) + В • ехр (^^ (<! + <2 |г=+ <2 = = £2 ((к2 - к2 )р • ехр (-(+ <2 )) - -х-уО • ехр (-jkг (^ + <2 ))).
Выведем неизвестные константы интегрирования для
поля Е,
(1,2,3)
у
А = (((-е22 к22 (-к22 + к2х + ку) к2 - к21ег (к, - -)(- + -)(ку--ххх
х(ку + -х)кч + -I- (-к2 + -х2 + -У))х^ +(е2к22кч + k?kz2 )х х(е2 (-к2 + -х2 + к2)к^ + к2г (-к2 + к2х + -У))> х((( к2 - к2 - ку2) К + kz (к2 - к2 - -у2)) е2^ +
+ (-к2 + к2 + ку )kz2 + К (к22 - -х2 - -У )) {А + <2 X
х((к2кн + к^) е2 - к2kz2 + к2^) / kzlA;
к
z
к
2
Vol. 15. No. 5-2023, H&ES RESEARCH
AVIATION, SPACE-ROCKET HARDWARE
B = ((- [s2k22k2i - k2k2i ) (s2 (-k22 + k^2 + ky ) kZi -
-kZ2 (-k2 + k2 + ky ))e~A'dl + ((sfk22 (-k22 + k2 + ky )k2 -
-kz2 Z2 (kl - k2 ) (kj + k2 ) (ky - k^ ) (ky + k^ ) kzi - k\ k X
-(- k2 + k2 + ky )))
e^^£yo weJ'dl ) x (((k2 - k2 - k2 )kz2 + kz (k2 - k2 - k2 )) >
x e2 Jkz>dd +(-k2 + k2 + ky ) kz2 + kz (k2 - k2 - k2y ))x
xe-jkz(A+d )-2JK2id ^k2k2ï + k\k2 )e2Jk*d - k2k4 + k\k2 ) / kh A;
Решение уравнения (9) при условии излучения (г^-да), применяя обратное преобразование Фурье, переходя от спектрального представления к полю Е, имеет вид
ЕУ1'2'3"1 =//^у(1-2-3)(х,у,г,х',у',0)Еу(х',у',0)йХ'^у' . (10) Аж п
Здесь П - область интегрирования по раскрыву волновода, ху' - координаты, отсчитываемые в раскрыве излучающего волновода, а подынтегральное выражение имеет вид
F(1) = -
0=4®Е е^'Че^*к +'2^^(*+'2)(еА2* х
у0 и 2г V
х( (-((-к2 + к2у )к22 + к2к2х )(-к2 + к2х + к2)к2к2 + (-к2 + к2х + ку )х хк2 (к21 ((-к2 + к2у )к2 + к2к2х) е2 + кк (-к2 + кх2 + ку)) к^ -
-(-к2 + кх2 + ку)е2к2кг1 ((-к2 + к2х)к2 + к2ук2)к2+
+(-((-к2 + к2у )к22 + к2 кх2 )(-к2 + кх2 + ку) к2 к2 +(-к22 + к2х + ку )х хк2 (-к^ ((-к2 + ку2) к? + к2к2х) е2 + кк (-к2 + к2 + ку)) кг2 +
+ (-к2 + кх2 + ку2)е2к2к2^ ((-к2 + кх2)к2 + к2ук2)кг)X
+ ((((_к 2 + ку) к2 + к2 к2 )(-к2 + к2 + ку2 )х хк2к2г + (-к2 + кх2 + к2)к22 (-кг1 ((-к2 + к2)к2 + к2к2)е2 +
+кгк2, (-к2 + кх2 + ку )) кг2 - (-к2 + кх2 + ку ) е2к2кч -
-((-к2 + к2)к2 + к2ук2)к2^ + х
х(((-к2 + к2у ) к2 + к2 кх2 )(-к2 + кх2 + ку ) к2 к2 +
+ (-к22 + к2х + к2)к22 (к21 ((-к2 + к2)к2 + к2к2х )е2 +
+ к2к12 ("к12 + кх2 + ку )) к22 +("к2 + ^ + ку ) е2к22 к2^ Х
х((-к2 + к2 ) к| + ку2 к ) к2 ))е-]к2> ^ ^ ^ ) ) / Д. А = (е^12 * ((к2 - к - ку )к2г + к2 (-к22 + к2 + к2)) «+'2> +
+еАгКМ) |(_к2 + к1 + ку)к22 + к2 (-к2 + к2 + ку))е"^* ^(^)
х(* (-к\ + к22к2)е-А»(^' + е^^гК^)(к%2 + к22к2))х х((-82к2к21 + к2к22)^ + (е^ + к2к^ ))х х((-к2 + к2 + к2у)кч -б2кч (-к2 + к2 + к^))^ +
+ ((-к2 + к2 + ку2 ) к^ + 82к21 ("к2 + к2 + ку )).
Неизвестные константы интегрирования СиБ не приводятся из-за их громоздкости. Неизвестные константы интегрирования определяются уравнениями из граничных условий, с использованием следующих замен переменных:
кх = Рсоъа, ку = р$та, к2 к2 - р2 , кч =у1 к2в, -р2, кч к2в2 -р2.
1 да 2% ( k / 1
г J J I —^(a exp(-j'k z ) - B exp(j'k z)) l>
4^2 о о ')
x exp(-JP(( x '- x) cos a + ( y '- y) sin a))Pd pda,
1 да 2% I k
Fy2> =—ïJ J I -Jz2-\CexP("Jkz2z)-Dexp(Jkz2z))
y 4^2 J0 i {®s0s2\ 2 2 >
x exp(- JP((x '- x) cos a + (y '- y) sin a))Pdpda.
= J ÔJ G X eXP (~Jkzz ) x eXP [~Jß[{x' - X ) C0S a +
+ (y - y ) sin a]P dp da.
(11)
(12)
(13)
Составляющие электрического поля в раскрыве при 2 = 0 для волны типа Ню имеют следующий вид:
77 / I im JZa . ( Kx'
Ey ( x , y ,0) =---—sin I-
ж I a
(14)
где Ъо - волновое сопротивление свободного пространства.
Рассмотрим интеграл (11), (12) (13) по переменной интегрирования р в комплексной плоскости. Для вычисления этого интеграла методом перевала следует учесть, что при деформации контура интегрирования нужно обходить точки ветвления подынтегральной функции и что путь перевала пересекает полюса подынтегральной функции.
В общем случае в соответствии с теоремой Коши интеграл для функции ру3) может быть представлена в следующем виде:
l'-
An
j. .-¿ß + E/(Ce)j ...d$ + U(Cp) j ...d\>>
(15)
где и{Се,Р) - единичная функция Хевисайда; Се, Ср - :зеличи-ны, определяемые на комплексной плоскости р:
С
: Re I aresin р | + ^ - arccos | sch Im [ aresin р
Первый интеграл по контуру I описывает диаграмму направленности и вычисляется методом перевала. Второй интеграл 4 вычисляется по берегам разреза, при этом разрез целесообразно выбрать так, чтобы это была прямая, параллельная мнимой оси на комплексной плоскости р.
Условия существования поверхностных и вытекающих волн определяются из расположения полюсов подынтегральных функций Еу^ причем полюсы соответствуют равенству нулю знаменателей отмеченных выражений. Представляя знаменатель в виде множителей и проводя ряд преоб-
разований, учитывая, что Яе(¡^>0 тогда
к2 - 01 =\]/в2 - к2 получим окончательно выражения
для определения полюсов в виде следующих дисперсионных уравнений:
- для четн х Е мод
;2Jfi^d - lW - k2 )
s24p2 -k2 _ _
y¡k\ - p2 I e2-^ d +1 - для нечетных H мод
Vk2S2 - p2 (e2-lj
(16)
W^1
г j-Jk 4-p2d2
+1
(17)
По теореме Коши интеграл (15) по контуру lp определится суммой вычетов:
J...= ZRe*(Д),
ip i=i
(18)
i /2 ¿n ¡
Ризл = -Z- J J (I +| EÁ) r
где
Ee = Ex cos0cos^ + Ey cos^sin^-Ez sin0, Еф = Ey cos (p- Ex sin^, Ez = —
1
dE„
jas0Z0 dx
■■y¡z 2 +(x'- x )2 +( y'- y )2
Для прямоугольного волновода с волной Ню имеем
Рпад = Z0H2 ^ - (Я /2а)2,
А
(20)
где Но - амплитуда, определяемая мощностью источника поля.
КПД исследуемой антенны определяется уравнениями
(7) и (8), и рассчитывается как
77 = Ри3л
пад
где Pi -корниуравнений(16)и(17).
Для дифференциации особых точек на полюсы, определяющие поверхностные и вытекающие волны, целесообразно перейти с комплексной плоскости р на плоскость комплексного угла р = к sin т, где г = xr+ jx-, а индексы r и j обозначают реальную и мнимую часть. Поверхностная волна будет иметь место при
гг = л/2; т, > 0.
Вытекающие волны находятся в следующей области комплексных углов: 0 < гг < п, кроме гг = л/2; г- > 0 При этом область 0 < xr < ф, определяет обратную волну, не удовлетворяющую условиям излучения на бесконечности.
Поверхностные волны могут изменить вид диаграммы направленности и при определенных условиях могут поглощать в себя большую часть подводимой мощности.
Излучаемая мощность для дальней зоны может быть рассчитана по следующему выражению л/ п.
'2 2 ж, „ , „х
; , - .. (19)
о о "
Для расчёта диаграммы излучения и КПД по (10) совместно с (13) и (14) была разработана программа на языке программирования python. Расчет по разработанной математической модели диаграммы направленности и КПД бортовых антенн базируется на известных температурных зависимостях теплозащиты и плазмы. Температурные зависимости определяются видом теплозащиты антенны, а значение температуры траекторией полета [17,18,19,20]. Параметры плазмы также определяются траекторией полета.
Для расчета диаграммы излучения возьмем длину волны равную 3.2 см. На рисунке 3 и 4 изображены диаграммы направленности, будем считать, что интенсивного нагрева теплозащиты нет, и характеристики материала теплозащиты нитрида бора не изменяются, и равны е1 = 4.2, tg£=0.0001. На рисунке 3 показана диаграмма излучения прямоугольного волновода в носовой части аппарата, характеристики
плазмы равны: (-) - s'2 = 0.99, г" = 10~6, (---)-
е'2 = 0.905, s" = 2Ю~4. На рисунке 4 показана диаграмма излучения прямоугольного волновода на боковой поверхности аппарата, характеристики плазмы равны: (-) -
е'2 = 1 ,s"2= 0,(---) - е'2 = 0.905, е" = 2 -10~4.
Для расчета КПД будем считать, что бортовая антенна находится в носовой части космического аппарата и толщина слоя плазмы будет равна d2=5 см (табл. 1).
КПД бортовой антенны с теплозащитой и слоем плазмы
Таблица 1
Концентрация электронов см"3, частота соударения электронов с"1 Ne = 8-1011, v = 5,8-1010 Ne = 9,5-1012, u = 7,7-1010 Ne = 5,8-1013, v = 8,5-1010 Ne = 1,2-1014, u = 9-1010 Ne = 3,3-1014, u = 9.5-1010
КПД, дБ -4 -7,7 -26,5 -55,5 -130,8
Vol. 15. No. 5-2023, H&ES RESEARCH
AVIATION, SPACE-ROCKET HARDWARE
Рис. 3. Нормированная диаграмма излучения прямоугольного волновода в носовой части аппарата с однородной теплозащитой 4 = 5 см, и толщиной слоя плазмы d2 = 3 см
Рис. 4. Нормированная диаграмма излучения прямоугольного волновода на боковой поверхности аппарата с однородной теплозащитой 4 = 5 см, и толщиной слоя плазмы 4 = 30 см
Заключение
По результатам расчета радиотехнических характеристик бортовой антенны для условий аэродинамического нагрева можно разработать рекомендации по выбору теплозащиты, которая обеспечит наивысшую стабильность характеристик антенн в условиях эксплуатации и снизит чувствительность к воздействию высокотемпературного нагрева. Рассчитывая радиотехнические характеристики, с учетом параметров плазмы, можно разработать рекомендации по расположению антенны на КА.
Литература
1. Liu Y., Li H., Li Y. et al. Transmission properties and physical mechanisms of X-ray communication for blackout mitigation during spacecraft reentry. 2017. Vol. 24. No. 11. P. 113507. DOI 10.1063/1.4998786.
2. Liu Z., Bao W., Li X. et al. Influence of plasma pressure fluctuation on RF wave propagation II Plasma Science and Technology. 2016. Vol. 18. No. 2, pp. 131-137.
3. He G., Zhan Y., Ge N. Adaptive transmission method for alleviating the radio blackout problem II Progress in Electromagnetics Research. 2015. Vol. 152, pp. 127-136. DOI 10.2528/PIER15072702
4. Takahashi Y., Enoki N., Takasawa H., Oshima N. Surface catalysis effects on mitigation of radio frequency blackout in orbital reentry. 2020. Vol. 53, No. 23. P. 235203. DOI 10.1088/1361-6463/ab79e0
5. Mikhailov V.F., Mazhnik I.V. Calculation of Radiation Characteristics of a Circular Waveguide Covered with Thermal Protection and Plasma Layer II2022 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications, SOSG 2022 - Conference Proceedings, Moscow, 2022. DOI 10.1109/IEEECONF53456.2022.9744092
6. Meseguer J., Perez-Grande I., Sanz-Andres A. Thermal protection systems II Spacecraft Thermal Control, 2012, pp. 305-325.
7. Mikhailov V.F. Characteristics of Radiation of a round Waveguide through a Flat Homogeneous Heat Shield II Intechopen, 2020. D01:10.5772/intechopen.92036.
8. Abanti Nag, Rayasa Rao, Prasanta Panda. High temperature ceramic radomes (HTCR) - A review. Ceramics International, 2021. doi: 47. .1016/j.ceramint.2021.04.203. '
9. Meseguer J., Perez-Grande I., Sanz-Andres A. Thermal protection systems. Spacecraft Thermal Control, 2012, pp. 305-325.
10. Serdyuk V. Method of Additive Regularization of Field Integrals in the Problem of Electromagnetic Diffraction by a Slot in a Conducting Screen, Placed Before a Dielectric Layer II Progress in Electromagnetics Research B,Vol. 83,pp. 129-151,2019. doi:10.2528/PIERB18102906
11. Дворянинов C.M. Антенные устройства. Самарский государственный технический университет, 2007. 449 с.
12. Jiannan Tu, Song Paul, Reinisch Bodo W. Plasma sheath structures around a radio frequency antenna II Journal of Geophysical Research, 113(A7), 2008. doi:10.1029/2008ja013097
13. Best S.R. Advance in the Design of Electrically Small Antennas, Short Course II IEEE AP Symposium, 2003, pp. 18-27.
14. Михайлов В.Ф., Победоносцев К.А. Прогнозирование эксплуатационных характеристик антенн с теплозащитой. С.-Петербург, Судостроение, 1994. 300 с.
15. Mikhailov V.F., Mazhnik I.V. Calculation of Radiation Characteristics of a Circular Waveguide Covered by Thermal Protection II 2020 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF), Saint-Petersburg, Russia, 2020. pp. 1-5, doi: 10.1109/WECONF48837.2020.9131552.
16. Collin E.R. Foundations for Microwave Engineering, 2nd Edition. Wiley-IEEE Press, 2001, pp. 194-197.
17. Li S., Zhu Z. A numerical method to determine mode content in circular waveguide based on an integral identity equation II Applied Mathematical Modelling, 2012. vol. 36. no. 7, pp. 2926-2934.
18. Пат. RU 2610048 C2 C04B 35/80 (2006.01). Высокотермостойкий радиопрозрачный неорганический стеклопластик и способ его получения / Я.Б. Феодосий, К.Н. Любовь, П. А. Степанов; опубл. 07.02.2017. Бюл. № 4.
19. Ivakhnenko Yu.A., Varrik N.M., Maksimov V.G. High-temperature radio-transparent ceramic composite materials for radomes of antennas and other products of aviation technology (review) II Proceedings ofVIAM, 2016. No. 5,pp. 34-41.
20. Chefranov E.V., Fedorenko E.Y., Krivobok R.V., Lisachuk G.V., Gusarova I.A. Influence of the method for producing radiotransparent ceramics based on the system Sr0-Ba0-A1203-Si02 on its properties II SRRTC. Vol. 117, 2018, pp. 167-175.
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т. 15. № 5-2023
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
SPACECRAFT ANTENNA RADIATION CHARACTERISTICS
ILYA V. MAZHNIK
St. Petersburg, Russia
ABSTRACT
Introduction: Under the conditions of hypersonic flight of a spacecraft in dense layers of the atmosphere, communication is interrupted. The heating of the air around the apparatus, due to the high speed, leads to the formation of a plasma shell, the parameters of which change sharply along the flight path. The maximum temperature on the surface of the spacecraft can reach 6000 degrees Kelvin. To protect the onboard antenna from heating, heat-shielding radio-transparent material is used. Due to the temperature change in the electrical characteristics of the thermal protection, and the presence of a plasma layer, the propagation of radio waves is deteriorating. The purpose of the work: Determination of the radio technical characteristics of the onboard antennas of the returning spacecraft with the effect of heating on the thermal protection of the antenna and the effects of plasma formation, based on the developed mathematical model of the antenna with thermal protection, taking into account operating conditions. Methods: Of the well-known analytical methods of solution, it is possible to use the method of integral transformations and the method of eigenfunctions. Both of these methods were
KEYWORDS: spacecraft, onboard antenna,rectangular waveguide, homogeneous thermal protection, flight plasma, efficiency
used in this work. In this case, the assumption is used that the electrical parameters of the dielectric plate (thermal protection) and the geometric dimensions do not depend on time. Results: Relations are obtained that describe the radiation pattern of a rectangular waveguide with a dielectric heat shield and a plasma layer, taking into account their electrical parameters and thickness. The equations describing the boundary conditions of the electrodynamic model are presented. A calculation was carried out to determine the effect of changes in the thickness and electrical parameters of the thermal shield and the plasma layer on the efficiency and radiation diagram. The results showed that the parameters of the plasma sheath can modify the radiation pattern and affect the efficiency of the onboard antenna. Practical significance: The development of a mathematical model of the main radio technical characteristics of onboard antennas, taking into account the impact of high-temperature aerodynamic heating and the plasma layer, as well as the results of numerical calculations, can be applied in the development of recommendations for choosing thermal protection and recommending the location of onboard antennas on spacecraft.using cloud technologies.
REFERENCES
1. Y. Liu, H. Li, Y. Li et al. Transmission properties and physical mechanisms of X-ray communication for blackout mitigation during spacecraft reentry. 2017. Vol. 24. No. 11. P. 113507. DOI 10.1063/1.4998786.
2. Z. Liu, W. Bao, X. Li et al. Influence of plasma pressure fluctuation on RF wave propagation. Plasma Science and Technology. 2016. Vol. 18. No. 2, pp. 131-137. DOI 10.1088/1009-0630/18/2/06
3. S. Krishnamoorthy, S. Close. Investigation of plasma-surface interaction effects on pulsed electrostatic manipulation for reentry blackout alleviation. 2017. Vol. 50. No. 10. P. 105202. DOI 10.1088/1361-6463/aa5901
4. Y. Takahashi, N. Enoki, H. Takasawa, N. Oshima. Surface catalysis effects on mitigation of radio frequency blackout in orbital reentry. 2020. Vol. 53. No. 23. P. 235203. DOI 10.1088/1361-6463/ab79e0
5. V. F Mikhailov, I. V. Mazhnik. Calculation of Radiation Characteristics of a Circular Waveguide Covered with Thermal Protection and Plasma Layer. 2022 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications, SOSG 2022 - Conference Proceedings, Moscow, 2022. DOI 10.1109/IEEE03NF53456.2022.9744092
6. J. Meseguer, I. Perez-Grande, A. Sanz-Andres. Thermal protection systems. Spacecraft Thermal Control, 2012, pp. 305-325.
7. V.F. Mikhailov. Characteristics of Radiation of a round Waveguide through a Flat Homogeneous Heat Shield. Intechopen, 2020. DOI:10.5772/intechopen.92036.
8. Abanti Nag, Rayasa Rao, Prasanta Panda. High temperature ceramic radomes (HTCR) - A review. Ceramics International, 2021. doi: 47. 10.1016/j.ceramint.2021.04.203.
9. J. Meseguer, I. Perez-Grande, A. Sanz-Andres. Thermal protection systems. Spacecraft Thermal Control, 2012. pp. 305-325.
10. V. Serdyuk. Method of Additive Regularization of Field Integrals in the Problem of Electromag-netic Diffraction by a Slot in a Conducting Screen, Placed Before a Dielectric Layer. Progress In Elec-tromagnetics
Research B. Vol. 83, pp. 129-151, 2019. doi:10.2528/PIERB18102906
11. S.M. Dvorjaninovio Antennye ustrojstva. Samarskij gosudarstvennyj tehnicheskij universitet, 2007. 449 p. (In Russ.)
12. Jiannan Tu, Song Paul, Reinisch Bodo W. Plasma sheath structures around a radio frequency antenna. Journal of Geophysical Research, 113(A7), 2008. doi:10.1029/2008ja013097
13. S.R. Best. Advance in the Design of Electrically Small Antennas, Short Course. IEEEAP Sym-posium, 2003, pp. 18-27.
14. V.F. Mihajlov, K.A. Pobedonoscev. Prognozirovanie jekspluata-cionnyh harakteristik antenn s teplozashhitoj. S.-Peterburg, Sudostroenie, 1994. 300 p. (In Russ.)
15. V.F Mikhailov, I.V. Mazhnik. Calculation of Radiation Characteristics of a Circular Wave-guide Covered by Thermal Protection. 2020 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF), Saint-Petersburg, Russia, 2020, pp. 1-5.
16. E.R. Collin. Foundations for Microwave Engineering, 2nd Edition. Wiley-IEEEPress, 2001, pp. 194-197.
17. S. Li, Z. Zhu. A numerical method to determine mode content in circular waveguide based on an integral identity equation. Applied Mathematical Modelling, 2012. vol. 36. no. 7, pp. 2926-2934.
18. Pat. RU 2610048 C2 C04B 35/80 (2006.01). Vysokotermostojkij radioprozrachnyj neorga-nicheskij stekloplastik i sposob ego poluchenija / Ja.B. Feodosij, K.N. Ljubov', P. A. Stepanov; opubl. 07.02.2017. Bjul. No. 4.
19. Yu.A. Ivakhnenko, N.M. Varrik, V.G. Maksimov. High-temperature radio-transparent ceramic composite materials for radomes of antennas and other products of aviation technology (review). Proceedings of VIAM, 2016. No 5, pp. 34-41.
20. E.V. Chefranov, E.Y. Fedorenko, R.V. Krivobok, G.V. Lisachuk, I.A. Gusarova. Influence of the method for producing radiotransparent ceramics based on the system SrO-BaO-Al2O3-SiO2 on its properties. SRRTC. Vol. 117, 2018, pp. 167-175.
INFORMATION ABOUT AUTHOR:
Ilya V. Mazhnik, postgraduate student, St. Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, St. Petersburg, Russia
For citation: Mazhnik I.V. Spacecraft antenna radiation characteristics. H&ES Reserch. 2023. Vol. 15. No. 5. P. 4-10. doi: 10.36724/2409-5419-2023-15-5-4-10 (In Rus)
