Коротко о причинах, физике и способах борьбы с радио‑«blackout» при входе в атмосферу.
Причина и механизм
- При входе в атмосферу слои газа в ударной волне и в пограничном слое нагреваются до высоких температур, происходит диссоциация и ионизация; образуется плазменная оболочка (шит) вокруг аппарата с высокой электронной плотностью $n_e$.
- Если электрическая характеристика плазмы такова, что СВЧ‑волна не может распространяться (отражается или сильно поглощается), связь разрывается — blackout.
Ключевые параметры плазмы
- плазменная (плазмо) частота: ${\omega }_p=\sqrt{\frac{n_e{e}^2}{{\epsilon }_0{m}_e}}$, соответствующая циклическая частота; в обычных единицах частота отсечки
$$f_p=\frac{{\omega }_p}{2\pi }=\sqrt{\frac{n_e{e}^2}{4{\pi }^2{\epsilon }_0{m}_e}}.$$ Эквивалентно приближённой формуле: $f_p[\text{Hz}]\approx 8.98\times 10^3\sqrt{n_e[{\text{cm}}^{-3}]}$.
- следствие: если рабочая частота $f<f_p$, плазма «перепада» (overdense) — волна отражается; при $f\gtrsim f_p$ возможна передача, но с затуханием из‑за столкновений.
- типичные величины при входе: $n_e$ в ближней ударной области может достигать порядка $\sim 10^{16}$–$10^{19}{\text{м}}^{-3}$ (в зависимости от скорости входа, формы, высоты); электронная температура $T_e\sim$ несколько эВ (единицы–десятки эВ); толщина плотной части оболочки — сантиметры–десятки сантиметров (порядок скиновой глубины для GHz).
- пример: для $f=1\text{GHz}$ отсечка достигается при $n_e\approx 1.2\times 10^{16}{\text{м}}^{-3}$; для $f=10\text{GHz}$ — при $n_e\approx 1.2\times 10^{18}{\text{м}}^{-3}$.
Влияние столкновений (поглощение)
- Столкновительная частота электронов с нейтралами/ионнами $\nu$ может быть большой ($\nu \sim 10^8$–$10^{11}{\text{s}}^{-1}$ в плотных слоях); это делает диэлектрическую проницаемость комплексной:
$${\epsilon }_r=1-\frac{{\omega }_p^2}{\omega (\omega +i\nu )}.$$ - При больших $\nu$ даже при $f>f_p$ происходит сильное поглощение и затухание; в слабом приближении коэффициент ослабления (простая оценка) пропорционален
$$\alpha \propto \frac{{\omega }_p^2\nu }{{\omega }^{2}c}.$$ - Для плотной шит‑оболочки с $n_e\sim 10^{17}{\text{м}}^{-3}$ и СВЧ диапазоном затухание на толщине порядка десятков сантиметров может давать десятки–сотни dB ослабления.
Практические последствия
- Для классических входов (Apollo, грузовые возвращения) blackout длился порядка $\sim$ десятков–сотен секунд (минуты), когда $n_e$ и $\nu$ были достаточно велики.
- Частота связи, геометрия антенн, угол и высота входа и абляция поверхности сильно влияют на длину и интенсивность blackout.
Возможные пути восстановления или смягчения потери связи (практичность и ограничения)
1. Повышение несущей частоты (Ku/Ka и выше): требует $f$ значительно выше $f_p$; но при очень больших $n_e$ это мало помогает и усложняет оборудование. Пример: для обхода состояния $n_e\sim 10^{17}{\text{м}}^{-3}$ нужна частота $f\gtrsim$ несколько GHz–десятков GHz.
2. Релейные системы и спутники (TDRS и пр.): работают, если есть видимость реле и плазма не закрывает всю линию; не решают проблему, когда оболочка окружает аппарат полностью.
3. Трайл‑антенны / «boom» (вынос антенны в хвостовую зону): вывод антенны за пределы плотной плазмы или в область редкого шлейфа (wake) может дать связь; сложность — механика и аеродинамика.
4. Магнитное окно / магнитное управление плазмой: сильное магнитное поле меняет дисперсию и может допустить распространение в режиме whistler/extraordinary при частотах ниже $f_p$; требует мощных полей и сложных систем — пока экспериментально/энергоёмко.
5. Активное подавление плазмы: впрыск холодного газа/химреагентов, эмиссия электронов/ионов, электрическое или MHD управление для снижения степени ионизации у антенны; экспериментально сложны и могут ухудшать теплообмен/аэродинамику.
6. Архитектурные меры: автономное выполнение критичных манёвров и хранение данных на борту; дублирование критичных систем и буферизация телеметрии.
7. Зондирование/адаптивные системы: выбор поляризации, модуляции и мощностей, используемые для минимизации влияния затухания; некоторая польза при частичном blackout.
Краткое резюме
- Blackout — следствие образования плотной, сталкивающейся плазмы с $n_e$ и $\nu$, при которых либо $f<f_p$ (отражение), либо сильное поглощение при $f\gtrsim f_p$. Основной формулой критической плотности является связь через плазменную частоту ${\omega }_p$ (см. выше).
- Практически эффективные методы включают конструктивные (вынос антенн, выбор частоты, релейные сети) и продвинутые физические (магнитные окна, активное уменьшение плазмы), каждое решение имеет свои ограничения по массе, энергии и надёжности.
Если нужно, могу рассчитать численные значения $f_p$, $n_e$, скин‑глубину или затухание для конкретных частот/параметров входа.