RU1702856C

RU1702856C - Способ модификации параметров ионосферной плазмы

Info

Publication number: RU1702856C
Authority: RU
Inventors: Г.А. Марков; Л.Е. Курина; Ю.Н. Агафонов; П.В. Владимиров
Original assignee: Нижегородский государственный университет им.Н.И.Лобачевского
Priority date: 1989-12-25
Filing date: 1989-12-25
Publication date: 1994-04-30

Abstract

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>R_взр>d₀ , и условия "вмороженности" магнитного поля в плазму, где R_взр - радиус области взрыва: R₁ - характерный поперечный размер ионосферной токовой струи: d_o - 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.

Description

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 L_II

1 км (Н

130 км). Поперечный размер ИПО был гораздо меньше продольного и слабо зависел от высоты, будучи порядка d_o

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:
R_I > R_взр > d_o, (1)
σ_II ≫

, (2) где R_взр - радиус области взрыва;
R_I - характерный поперечный размер ионосферной токовой струи;
σ_II - продольная проводимость в ИПО;
d_o - невозмущенный размер ИПО;
W_o - величина энерговклада взрыва;
ρ_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 R_взрпревосходит невозмущенный размер ИПО d_o (условие (1)), размер ИПО вследствие взрывного разлета плазмы увеличивается и при значительном увеличении становится сравним с характерным размером ионосферной токовой струи R_I, что приводит к существенному увеличению эффективности воздействия на ионосферную токовую систему (причем дальнейшее, свыше R_I, увеличение размера ИПО уже не повышает эффективность воздействия на нее, и поэтому сделано ограничение R_взр < R_I).

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 σ_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 (70^о с. ш. ), ночью. Невозмущенная (так называемая фоновая), ионосферная плазма в данных условиях характеризуется следующими параметрами:
плотность нейтральных молекул N_m х 10⁴ см^-3;
энергия нейтральных молекул T_mx 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 σ_II

10¹⁰ с^-1
поперечная проводимость плазмы σ_I

10⁷-8 с^-1
продольный разрез ИПО L_II 350 м
поперечный размер ИПО d_o

10 м
частота ионизации ν_I

10⁵ с^-1
В качестве взрывного устройства выбран "пиропатрон" массой 1 г, дающий энерговклад W_o

40 кДж.

От места взрыва разбегается ударная волна. Поскольку гидродинамическое давление Р внутри фронта ударной волны много больше магнитного давления Р_м(Р >> Р_м), 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 Р_о
Р_о ≃ 10^-2 дин/см²
Согласно теории, радиус разбегающейся от места взрыва сферической ударной волны R_уд.в. , достигает значения

120 м к моменту, когда давление за фронтом ударной волны упадет до величины 3 Р_о, с ростом энерговклада W_o размер этой области растет как W_o ^1/3, достигая R_уд.в. ≃ 1,2 км при W_o = 4 . 10⁵ Дж (что соответствует взрыву пироснаряда массой 1 кг).

Частицы плазмы в момент прохождения фронта ударной волны приобретают радиально направленные скорости V_пл, по величине равные:
V_пл=

V_уд.в ≈ 0.8 V_уд.в где V_уд.в. - скорость фронта ударной волны.

В результате размер первоначального ИПО увеличивается за счет взрывного разлета плазмы с d_o ≃ 10 м до R_взр. ≈ 0,8 R_уд.в. ≃100 м, т. е. фактически в 10 раз.

Поскольку характерное время ионизации плазмы электрическим полем бортовой антенны ЛА τ_I ≈ 10^-5 с много меньше характерного времени τ_o разлета плазмы на минимальный размер невозмущенной ИПО d_o ≃ 10 м, τ_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:
σ ≫

или, учитывая связь между V_пл, R_взр в ударной волне.

σ ≫

где угол φ - между

и

; σ - величина проводимости.

Из условия "вмороженности" легко видеть, что магнитное поле выносится преимущественно в поперечном направлении φ = π /2. Но поскольку плазма ИПО является сильно анизотропной σ_II / σ_I

10^2-3 и условие "вмороженности" будет гораздо лучше выполняться для σ_II , область возмущения магнитного поля будет иметь довольно сложную конфигурацию.

Из условия "вмороженности" получим оценку наибольшего размера области возмущения магнитного поля R_н при заданной массе взрывчатки 1 г:
R_н

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 R_н

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.

Claims

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:
R_i > R_взр > d_о, (1)
σ_II ≫

,