Способ модификации параметров ионосферной плазмы

Номер патента: 1702856

Авторы: Агафонов, Владимиров, Курина, Марков

Формула

1. СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ, включающий формирование искусственного плазменного образования высокочастотным разрядом в поле бортового высокочастотного источника, отличающийся тем, что, с целью увеличения размеров области модификации, глубины и скорости модуляции параметров плазмы за счет увеличения энерговклада в искусственное плазменное образование, одновременно с высокочастотным разрядом формируют расходящиеся акустические ударные волны путем создания в области высокочастотного разряда серии взрывов при выполнении условий:
Ri > Rвзр > dо, (1)
II ,

Описание

Изобретение относится к модификации параметров ионосферной плазмы и может быть использовано для исследования магнитосферно-ионосферных связей, диагностики ионосферной плазмы, передачи команд в низкочастотном диапазоне, создании помех для радиосвязи.
В последние годы активно разрабатывается методика воздействия на параметры ионосферной плазмы с борта летательных аппаратов (ЛА), дающая большой энергетический выигрыш по сравнению с ранее известными способами модификации ионосферной плазмы электромагнитным излучением с Земли.
Известен способ модификации локальных параметров ионосферной плазмы путем формирования искусственного плазменного образования (ИПО) - плазменных антенн, осуществляемого периодическим возбуждением и самофокусировкой плазменных волн, зажигающих высокочастотный разряд (ВЧ) в ионосферной плазме, который принят за прототип предлагаемого решения. Способ заключается в периодическом (по заданной циклограмме) формировании искусственного плазменного образования с частотой полезного низкочастотного (НЧ) сигнала. ИПО формировалась при зажигании в ионосфере ВЧ-разряда полем пучка интенсивных плазменных волн, инжектируемых с борта ЛА (метеоракеты) малогабаритной антенной плазменных волн и модулированных по амплитуде на частоте полезного НЧ-сигнала. Данный способ позволил получить изменение плотности плазмы более чем в 10 раз, а также потоки частиц с энергией 3 кэВ с возросшей более чем в три раза плотностью при мощности генератора накачки W 1 квТ. Однако соответствующие изменения продольной и поперечной проводимостей плазмы, оказывающие непосредственное воздействие на ионосферную токовую систему, были сравнительно невелики.
Возбуждение излучающих полезный сигнал НЧ-токов в плазме искусственного образования осуществлялось за счет диамагнитного эффекта при сравнительно небольшом (несколько процентов) вытеснении магнитного поля из ИПО. В результате в ионосфере образуется магнитная катушка с характерными размерами ИПО. Создание таким образом ИПО с ~ 10 было сильно вытянуто вдоль магнитного поля вследствие диффузионного и теплового расплавления. Его длина сильно зависела от высоты Н ионосферы и достигала LII 1 км (Н 130 км). Поперечный размер ИПО был гораздо меньше продольного и слабо зависел от высоты, будучи порядка do 10-15 м.
Таким образом, с точки зрения воздействия на ионосферную токовую систему описанный способ представляется недостаточно эффективным. Вследствие ограниченности энерговклада в ионосферную плазму, свойственной этому способу, поперечный размер ИПО много меньше характерного поперечного размера естественной токовой струи, глубина и скорость модуляции параметров плазмы ограничены, возмущение магнитного поля в ИПО незначительно.
Целью изобретения является увеличение размеров области модификации, глубины и скорости модуляции параметров плазмы (ИПО) за счет увеличения энерговклада в искусственное плазменное образование.
Цель достигается тем, что в способе модификации параметров ионосферной плазмы путем периодического формирования искусственного плазменного образования ВЧ-разрядом в поле бортового ВЧ-источника, согласно изобретению, одновременно с ВЧ-ионизацией газа в центре ИПО формируют расходящиеся акустические ударные волны посредством создания в области ВЧ-разряда серий взрывов взрывных устройств в соответствии с циклограммой работы ВЧ-источника при выполнении следующих условий:
RI > Rвзр > do, (1)
II , (2) где Rвзр - радиус области взрыва;
RI - характерный поперечный размер ионосферной токовой струи;
II - продольная проводимость в ИПО;
do - невозмущенный размер ИПО;
Wo - величина энерговклада взрыва;
o - плотность фоновой плазмы;
с - скорость света.
При этом взрыв осуществляют, например, с помощью пиропатронов.
Таким образом, в предлагаемом способе модификация параметров ионосферной плазмы достигается локальным изменением плотности плазмы, частоты столкновений, величины геомагнитного поля, а также размеров ИПО, возникающим в процессе формирования плазменного образования в результате ВЧ-разряда в поле плазменных волн при одновременном осуществлении в области плазменного образования взрыва (взрывного сгорания пиропатрона). Образующаяся в результате взрыва сферическая акустическая волна разносит частицы плазмы от места взрыва.
В результате, во-первых, если радиус области взрыва Rвзрпревосходит невозмущенный размер ИПО do (условие (1)), размер ИПО вследствие взрывного разлета плазмы увеличивается и при значительном увеличении становится сравним с характерным размером ионосферной токовой струи RI, что приводит к существенному увеличению эффективности воздействия на ионосферную токовую систему (причем дальнейшее, свыше RI, увеличение размера ИПО уже не повышает эффективность воздействия на нее, и поэтому сделано ограничение Rвзр < RI).
Во-вторых, вследствие больших скоростей взрывного разлета плазмы вязкость плазмы становится несущественной, и магнитное поле движется вместе с частицами плазмы, а именно выносится из области взрыва до тех пор, пока выполняется так называемое условие "вмороженности" магнитного поля в плазму (условие (2)). Кроме того, вследствие взрывного сгорания пиропатрона в области взрыва увеличивается плотность электронов и их частота столкновений.
В итоге ив возмущенной области резко возрастает величина поперечной проводимости плазмы I.
И в конечном итоге увеличивается эффективность воздействия на ионосферную токовую систему и достигается цель изобретения.
Сопоставленный анализ показывает, что заявляемое решение имеет отличные от прототипа признаки - комбинированное воздействие на ионосферную плазму ВЧ-ионизации и взрыва в центре ИПО. Таким образом, изобретение отвечает критерию "новизна".
Способ реализуется устройством, изображенным на чертеже, где показана схема головной части ракеты, содержащей антенну 1 плазменных волн (АПВ), блок 2 измерительной аппаратуры, генератор 3 ВЧ-колебаний (ГВЧК), автономный источник 4 питания, блок 5 управления взрывным устройством, взрывное устройство 6. В соответствии с настоящим изобретением АПВ снабжена взрывным устройством (4 пиропатрона), связанным с блоком управления взрывным устройством, обеспечивающим осуществление серии взрывов в соответствии с заданной циклограммой работы генератора.
Способ модификации параметров плазмы осуществляется следующим образом.
С борта летательного аппарата (метеоракеты) одновременно с периодическим (по заданной циклограмме) формированием искусственного плазменного образования путем ВЧ-ионизации ионосферной плазмы полем бортовой АПВ производят серию взрывов пиропатронов. Отклик на осуществленное воздействие регистрируют измерительной аппаратурой.
Пример реализации способа.
Конкретные расчеты проведены для эксперимента, проводимого на высоте Н ионосферы 130 км, в высоких широтах (70о с. ш. ), ночью. Невозмущенная (так называемая фоновая), ионосферная плазма в данных условиях характеризуется следующими параметрами:
плотность нейтральных молекул Nm х 104 см-3;
энергия нейтральных молекул Tmx x 10-13 эрг;
величина геомагнитного поля В 0,5 Гаусс.
Бортовой антенной летательного аппарата создается ИПО со следующими параметрами:
плотность электронов N 4 . 106 см-3
продольная проводимость плазмы II 1010 с-1
поперечная проводимость плазмы I 107-8 с-1
продольный разрез ИПО LII 350 м
поперечный размер ИПО do 10 м
частота ионизации I 105 с-1
В качестве взрывного устройства выбран "пиропатрон" массой 1 г, дающий энерговклад Wo 40 кДж.
От места взрыва разбегается ударная волна. Поскольку гидродинамическое давление Р внутри фронта ударной волны много больше магнитного давления Рм(Р >> Рм), динамика разлетающей плазмы описывается обычными гидродинамическими уравнениями без учета магнитного поля. Для оценок параметров плазмы может быть использована известная теория точечного взрыва, а именно теория сильного взрыва, справедливая до тех пор, пока гидродинамическое давление за фронтом много больше давления фоновой плазмы Ро
Ро 10-2 дин/см2
Согласно теории, радиус разбегающейся от места взрыва сферической ударной волны Rуд.в. , достигает значения 120 м к моменту, когда давление за фронтом ударной волны упадет до величины 3 Ро, с ростом энерговклада Wo размер этой области растет как Wo1/3, достигая Rуд.в. 1,2 км при Wo = 4 . 105 Дж (что соответствует взрыву пироснаряда массой 1 кг).
Частицы плазмы в момент прохождения фронта ударной волны приобретают радиально направленные скорости Vпл, по величине равные:
Vпл= Vуд.в 0.8 Vуд.в где Vуд.в. - скорость фронта ударной волны.
В результате размер первоначального ИПО увеличивается за счет взрывного разлета плазмы с do 10 м до Rвзр. 0,8 Rуд.в. 100 м, т. е. фактически в 10 раз.
Поскольку характерное время ионизации плазмы электрическим полем бортовой антенны ЛА I 10-5 с много меньше характерного времени o разлета плазмы на минимальный размер невозмущенной ИПО do 10 м, o 10-4 с, концентрация плазмы в ИПО будет поддерживаться на неизменном уровне в результате дополнительной ВЧ-ионизации.
Силовые линии магнитного поля выносятся вместе с частицами плазмы при выполнении условия "вмороженности" магнитного поля в плазму. Это условие выполняется при достаточно большой проводимости плазмы:
или, учитывая связь между Vпл, Rвзр в ударной волне.
где угол - между и ; - величина проводимости.
Из условия "вмороженности" легко видеть, что магнитное поле выносится преимущественно в поперечном направлении = /2. Но поскольку плазма ИПО является сильно анизотропной II / I 102-3 и условие "вмороженности" будет гораздо лучше выполняться для II , область возмущения магнитного поля будет иметь довольно сложную конфигурацию.
Из условия "вмороженности" получим оценку наибольшего размера области возмущения магнитного поля Rн при заданной массе взрывчатки 1 г:
Rн 100 м
В этой области величина поперечной проводимости плазмы растет по мере уменьшения напряженности магнитного поля и при достаточно малых значениях В стремится к величине продольной проводимости плазмы.
Модуляция величины поперечной проводимости в области радиуса Rн 100 м приводит к пропорциональному изменению интенсивности тока в ионосферной поперечной токовой струе, что в свою очередь вызывает раскачку геомагнитных пульсаций.
Таким образом, даже минимальный по энерговкладу взрыв пиропатрона массой 1 г приводит к увеличению поперечного размера ИПО по крайней мере в 10 раз, так что увеличенный размер (R 100 м) становится сравнимым с поперечным размером ионосферной токовой струи. Также достигается увеличение глубины модуляции поперечной проводимости в области радиусом 100 м. (56) Беликович В. В. , Бенедиктов Е. А. и др. УФН, 1974, т. 113, в. 4, с. 732.
Агафонов Ю. Н. , Бабаев А. Н. и др. Плазменно-пучковый разряд в ионосфере Земли, М. Письма в ЖТФ, 1988, т. 15, в. 17, с. 1-5.
Изобретение относится к модификации параметров ионосферной плазмы и может быть использовано при проведении экспериментов в верхней атмосфере. Целью изобретения является увеличение размеров области модификации, глубины и скорости модуляции искусственного плазменного образования (ИПО) за счет увеличения энерговклада в ИПО. Для повышения эффективности воздействия на ионосферную токовую систему в поле высокочастотного источника, работающего по заданной циклограмме, высокочастотным разрядом формируется искусственное плазменное образование, при этом одновременно с высокочастотной (ВЧ) ионизацией газа в области ВЧ - разряда создают серию взрывов взрывных устройств в соответствии с циклограммой работы ВЧ - источника. При выполнении условия, накладываемого на размеры области взрыва R1>Rвзр>d0 , и условия "вмороженности" магнитного поля в плазму, где Rвзр - радиус области взрыва: R1 - характерный поперечный размер ионосферной токовой струи: do - невозмущенный размер ИПО, достигается увеличение энерговклада в формируемое ИПО, обеспечивающее увеличение размеров, глубины и скорости модуляции параметров ионосферной плазмы. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Рисунки

Заявка

4772847/25, 25.12.1989

Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского

Марков Г. А, Курина Л. Е, Агафонов Ю. Н, Владимиров П. В

МПК / Метки

МПК: H05H 1/00

Метки: ионосферной, модификации, параметров, плазмы

Опубликовано: 30.04.1994

Код ссылки

<a href="https://patents.su/0-1702856-sposob-modifikacii-parametrov-ionosfernojj-plazmy.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Способ модификации параметров ионосферной плазмы</a>

Похожие патенты