Способ создания импульсной плазменной антенны

Способ создания импульсной плазменной антенны

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике радиосвязи, в частности к способам создания плазменных антенн.

Известны способ создания плазменных антенн и устройство для его осуществления (А.С. 1786969, МПК H01Q 9/00). Способ заключается в формировании в ионосфере плазменного столба путем возбуждения плазменно-волнового высокочастотного разряда с формированием ускоряющего поля в ускоряющем промежутке, к которому прикладывают импульсное высоковольтное напряжение.

Недостатками известного способа являются небольшие размеры искусственной апертуры, создаваемой в атмосфере Земли, и, следовательно, степень сужения диаграммы направленности антенны оказывается незначительной.

Известен способ создания плазменной антенны (патент США №3404403, 343-700, 1968 г.), основанный на использовании лазерного излучения, в котором излучающим элементом является ионизированный столб воздуха, создаваемый лазерным лучом и аналогичный излучающему металлическому стержню. Известный способ включает следующие операции: формирование импульса лазерного излучения, формирование ионизированного воздушного канала и одновременно формирование радиоимпульса, излучение радиоимпульса вдоль ионизированного канала, распространение радиоимпульса вдоль ионизированного канала и формирование диаграммы направленности антенны.

Недостатками описанного способа являются большие энергозатраты на формирование ионизированного канала, которые получаются из-за необходимости создания в воздушном канале избыточной ионизации, так как в связи с небольшим временем релаксации ионизированный канал сравнительно быстро (единицы, десятки микросекунд) нейтрализуется, малая длина формируемой плазменной антенны, большие габариты устройства, реализующего способ.

Известен способ создания импульсной плазменной антенны (ЖТФ, 2007, т.77, вып.6, с.88-92. Аппаратура и экспериментальные исследования взрывных плазменных антенн. А.Х. Аджиев, В.А. Сошенко, О.В. Сытник, А.С.Тищенко). Способ создания импульсной плазменной антенны в окружающем пространстве включает внесение в заряд взрывчатого вещества (ВВ) легкоионизирующих добавок, например, Mg, Li, CzNO₃ и др., размещение заряда ВВ в камере сгорания, инициирование заряда ВВ (пиропатрона), формирование плазменного образования из продуктов детонации ВВ в камере сгорания, дальнейшее истечение плазмы через сопло Лаваля в окружающее пространство с формированием рабочего тела плазменной антенны (плазменной струи).

Недостатками способа являются малая скорость постановки плазменной антенны - около 600 м/с и малая длина формируемой антенны - около 0.6-0.8 м.

Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа является способ создания импульсной плазменной антенны по патенту US 2007/0263759, H05H 1/12, Plasma antenna Generator and method of using same (прототип), включающий облицовку металлокерамическим материалом, содержащим щелочные металлы или их соединения внутренней поверхности выемки в заряде взрывчатого вещества, инициирование заряда взрывчатого вещества со стороны, противоположной выемке, и метание частичек металлокерамического материала в окружающее пространство со скоростью, достаточной для ионизации ионизируемого материала при их движении в атмосфере, с формированием плазменной антенны.

Недостатком способа является малая длина формируемой плазменной антенны, обусловленная быстрым торможением ионизируемых легких частичек металлокерамического материала в атмосфере воздуха и прекращением их ионизации. Длина плазменной антенны не превышает единиц метров.

Задачей изобретения является достижение технического результата - дальнейшее увеличение длины формируемой импульсной плазменной антенны.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе импульсной плазменной антенны в окружающем пространстве, включающем облицовку внутренней поверхности выемки в заряде взрывчатого вещества, инициирование заряда взрывчатого вещества со стороны, противоположной выемке, и метание материала облицовки в окружающее пространство со скоростью, достаточной для ионизации ионизируемого материала при его движении в атмосфере, с формированием плазменной антенны, согласно изобретению облицовка выполняется преимущественно из легких металлов, например алюминия или алюминиевых сплавов, сжимается продуктами детонации на ось симметрии заряда с формированием массивного компактного безградиентного или малоградиентного кумулятивного тела в окружающем пространстве, взаимодействием тела при его полете с атмосферой с формированием ударной волны и спутного следа, термической ионизацией воздуха, нагревом материала поверхности тела, его разрушением и поступлением в спутный след, при этом плазменная антенна формируется за высокоскоростным телом из ионизированного воздуха и ионизованных продуктов разрушения кумулятивного тела.

Такая совокупность признаков не известна в литературе для решения поставленной задачи. Наличие признаков, отличающих изобретение от прототипа, позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «новизна».

Новые признаки (плазмообразующее тело выполнено из алюминия или алюминиевых сплавов, формируется и метается массивное компактное безградиентное или малоградиентное тело, взаимодействие тела при его полете с атмосферой с формированием ударной волны и спутного следа, термическая ионизация воздуха, нагрев материала поверхности тела, его разрушение и поступление в спутный след, формирование плазменной антенны за высокоскоростным телом из ионизированного воздуха и ионизованных продуктов разрушения кумулятивного тела) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Выбирая материал кумулятивной облицовки и форму заряда, можно изменять форму и скорость метаемого компактного безградиентного или малоградиентного тела, а также скорость разрушения поверхности (эрозии и абляции) поверхности тела и массу ионизируемого материала, поступающего в спутный след, тем самым изменяя пространственные и временные характеристики формируемого плазменного образования. Большая масса компактного безградиентного или малоградиентного тела уменьшает потерю скорости при его торможении в воздухе, тем самым увеличивая длину плазменной антенны. Высокая скорость полета тела по сравнению со скоростью движения плазменного образования (спутного следа) позволяет быстро создавать плазменную антенну значительной длины, например, длиной несколько десятков или сотен метров, что расширяет диапазон рабочих длин волн антенны.

При инициировании заряда взрывчатого вещества с выемкой с металлической облицовкой, выполненной преимущественно из алюминия или алюминиевых сплавов, продукты детонации сжимают облицовку. Материал облицовки соударяется на оси заряда с формированием массивного компактного безградиентного или малоградиентного тела. Массивное компактное тело при полете в атмосфере меньше теряет свою скорость, чем поток легких частичек, и может пролетать на расстояние, равное в несколько тысяч диаметров заряда взрывчатого вещества. Так как градиент скорости в материале тела мал или отсутствует, то в полете тело не меняет свою форму и не разрушается на несколько частей. При движении тела в атмосфере возникает ударная волна и спутный след, при этом температура газа на фронте ударной волны может достигать несколько тысяч градусов при давлении несколько десятков или сотен атмосфер. В таких условиях газ в спутном следе и на фронте ударной волны ионизируется. Материал поверхности тела, взаимодействуя с набегающим потоком газа, нагревается и сносится в спутный след, где продукты разрушения материала тела ионизируются. Как показали экспериментальные исследования, механизм разрушения поверхности тела происходит в виде эрозии.

Параметры плазменного образования определялись методом отсечки при использовании излучения с частотой 75 ГГц. Было установлено, для тела, летящего со скоростью 5 км/с, длина плазменного образования составляла около 1 метра, для тела из железа и летящего со скоростью 5.5 км/с длина плазменного тела составляла 1.5-2 метра, и для тела из алюминия, летящего со скоростью около 6 км/с, длина плазменного тела составляла десятки или сотни метров.

На фиг.1 изображены этапы формирования импульсной плазменной антенны, на фиг.2 показано сформированное рабочее тело плазменной антенны в воздухе. 1 - инициатор (электродетонатор), 2 - профилированный заряд взрывчатого вещества с выемкой, 3 - металлическая облицовка, 4 - корпус, 5 - массивное компактное безградиентное или малоградиентное тело, 6 - ударная волна, 7 - плазменная антенна.

Профилированный заряд взрывчатого вещества с выемкой 2 с металлической облицовкой 3, формирующий массивное компактное безградиентное или малоградиентное тело 5, создающее при движении со скоростью, достаточной для ионизации ионизируемого материала при движении в атмосфере, может быть реализовано, например, в виде кумулятивных зарядов (Yu.A. Vedernikov. Dynamics and control of impact cumulative systems in the free space of the Earth // 6^th Cranfild Conf. On Dynamics and Control of Systems and Structures in Space, Riomaggiore, Cingue Perre, Italy, Yule 18-22, 2004, p.7-22., Патент РФ №2309367, МПК F42B 1/02. Способ и устройство формирования компактного элемента, Патент РФ №2383849, МПК F42B 1/028. Кумулятивное устройство, Патент РФ №2412338 МПК E21B 43/117, F42B 1/02. Способ и устройство (варианты) формирования высокоскоростных кумулятивных струй для перфорации скважин с глубокими незапестованными каналами и с большим диаметром).

Таким образом, предлагаемый способ создания импульсной плазменной антенны в окружающем пространстве позволяет, в отличие от многих методов создания импульсных плазменных антенн, осуществить создание антенны протяженностью, составляющей десятки и сотни метров, что больше в 10-20 раз, чем в известных способах.

Способ создания импульсной плазменной антенны, при котором выполняют облицовку внутренней поверхности выемки в заряде взрывчатого вещества, инициируют заряды взрывчатого вещества со стороны, противоположной выемке, и метают материал облицовки в окружающее пространство со скоростью, достаточной для ионизации ионизируемого материала при их движении в атмосфере, с формированием плазменной антенны, отличается тем, что облицовку выполняют преимущественно из легких металлов, например алюминия или алюминиевых сплавов, метают продуктами детонации заряда взрывчатого вещества на ось симметрии заряда с формированием массивного компактного безградиентного или малоградиентного кумулятивного тела в окружающем пространстве, взаимодействием тела при его полете с атмосферой с формированием ударной волны и спутного следа, термической ионизацией воздуха, нагревом материала поверхности тела, его разрушением и поступлением в спутный след, при этом плазменная антенна формируется за высокоскоростным телом из ионизированного воздуха и ионизованных продуктов разрушения кумулятивного тела.