RU2206958C2 - Способ осуществления космической связи и система космической связи для его реализации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области построения и эксплуатации систем космической связи. В предлагаемом способе развертывают на орбите базовые КА и формируют с их борта множество виртуальных ретрансляторов (ВР) сигналов связи. Последние размещают в областях пространства, образующих линию передачи этих сигналов между заданными в текущий момент времени пользователями, и управляют ВР с борта одного или более базовых КА. ВР формируют посредством направленных потоков материи (НПМ) через указанные области пространства, причем управление ВР производят, меняя параметры и/или структуру указанных НПМ. В предлагаемой системе связи на борту базовых КА установлены генераторы НПМ (ускорители частиц, микротел, источники электромагнитного излучения и т. д.) и устройства для наведения НПМ в указанные области пространства. Генераторы и их блоки имеют возможность создавать НПМ с регулируемыми пространственно-временными и физическими (химическими) характеристиками, обеспечивающими формирование ВР с заданными диаграммами излучения. Техническим результатом является обеспечение оперативного и с небольшими затратами (с малым числом КА) формирования в каждый момент времени требуемой глобальной или местной сети информационного обмена между пользователями на Земле и/или в космосе. 2 с. и 16 з.п.ф-лы, 12 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к области построения и эксплуатации систем космической связи и, в частности, к средне- и низкоорбитальным спутниковым системам глобального информационного обмена между наземными и/или внеземными пользователями.

В настоящее время известны и широко применяются различные типы систем космической связи (СКС) - см., например, [1].

Среди них можно выделить два крупных класса: высокоорбитальные и низкоорбитальные СКС.

К первым относятся, прежде всего, геостационарные спутники связи, обеспечивающие (квази)глобальный охват наземных и космических пользователей. Недостатками таких систем являются 1) значительная удаленность от Земли, требующая повышенной мощности (направленности) антенн и вызывающая заметную задержку транслируемых сигналов; 2) ограниченная вместимость геостационарной орбиты, неизбежно ведущая к ее "перенаселенности", взаимным помехам и т.д.; 3) принципиальные ограничения на плотность потоков информации, передаваемых на поверхность Земли (которая при использовании антенн с одинаковым усилением примерно в шесть раз меньше по сравнению с низкоорбитальными СКС).

Другой класс СКС предполагает развертывание низкоорбитальных спутниковых сетей, обеспечивающих глобальный или широкопоясной охват поверхности планеты-см. [2]. Здесь снимается ограничение на места размещения спутников: практический диапазон высот их орбит простирается от 1000 до 10000 км и более. Однако при этом возникают технические трудности: необходимость постоянного слежения за спутниками, их сопровождения, перенацеливание антенн. Потребное число спутников в сетях относительно велико (~10...20).

Известна СКС, содержащая один или более орбитальных комплексов ("космических платформ"), на которых размещено приемное и передающее оборудование различных частотных диапазонов. Это оборудование интегрировано с опорно-структурными модулями (ОСМ), которые могут наращиваться и заменяться, объединяясь в комплекс с помощью жестких конструктивных связей. При этом комплекс снабжен единой системой энергопитания, ориентации и стабилизации в пространстве, а также рядом общих систем преобразования и передачи информационных данных - см. [3].

Недостатком известной СКС является ограничение ее орбитальных комплексов по габаритам ввиду жесткой конструктивной схемы совокупности ОСМ, в связи с чем имеет место "скученность" бортового радиотехнического оборудования и повышенные взаимные радиопомехи. Рабочий частотный диапазон такой платформы относительно узок, так как ограничена располагаемая суммарная площадь антенных рефлекторов.

Известна средне- и/или низкоорбитальная СКС широкого целевого назначения, построенная на базе космической тросовой системы (ТС). В состав СКС входит несколько орбитальных комплексов, образующих сеть глобального или широкопоясного обзора планеты [4].

Комплекс содержит опорно-структурные модули, объединенные в пространственную связку с помощью статических и динамических гибких элементов, выполняющих также функции энерго- и информационных носителей. На модулях и гибких элементах устанавливается различное оборудование: для связи, наблюдения, исследования среды и т. д. Энергоснабжение комплекса обеспечивается от вынесенного на кабель-тросе (ядерного) источника с высокими мощностью и ресурсом. Распределение энергии и потоков информации между системами комплекса, а также управление служебными подсистемами производятся централизованно. Связь между комплексами СКС, а также между модулями внутри комплекса осуществляется преимущественно по оптическим (лазерным) линиям.

Недостатки известной СКС - в целом те же, что и у известных низкоорбитальных спутниковых систем, так что ее богатые возможности в части располагаемой мощности, централизации, иерархичности управления и др. - не реализуются в полной мере.

Вышеуказанные недостатки частично преодолены в централизованно-распределенной СКС, содержащей развертываемый на орбите по меньшей мере один базовый КА и управляемые с борта базового КА средства ретрансляции сигналов связи через области пространства, образующие линию передачи этих сигналов между заданными в текущий момент времени пользователями - см. [5]. Данная система выбрана в качестве ближайшего аналога изобретения.

Из этого же источника известен выбранный в качестве ближайшего аналога способ осуществления космической связи, включающий развертывание на орбите по меньшей мере одного базового КА, размещение множества ретрансляторов сигналов связи в областях пространства, образующих линию передачи этих сигналов между заданными в текущий момент времени пользователями, и управление ретрансляторами с помощью указанного по меньшей мере одного базового КА.

Недостаток указанных известных способа и системы состоит в трудности глобального и оперативного покрытия информационной сетью всего множества пользователей - с помощью относительно небольшого числа обеспечивающих КА, т. к. локализуемые в пространстве спутники-ретрансляторы традиционного типа существенно ограничены по маневренности.

Целью предлагаемого изобретения является создание способа и системы осуществления космической связи, обеспечивающей оперативное и с небольшими ресурсозатратами (с малым числом обеспечивающих КА) формирование в каждый момент времени требуемой глобальной или местной сети информационного обмена между тем или иным множеством пользователей на Земле и/или в космосе.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе [5] осуществления космической связи, включающем развертывание на орбите по меньшей мере одного базового КА, размещение множества ретрансляторов сигналов связи в областях пространства, образующих линию передачи этих сигналов между заданными в текущий момент времени пользователями, и управление ретрансляторами с помощью указанного по меньшей мере одного базового КА, в отличие от него в указанных областях пространства размещают виртуальные ретрансляторы (ВР), которые формируют с борта одного или более базовых КА посредством направленных потоков материи (НПМ) через указанные области пространства, причем управление ретрансляторами производят меняя параметры и/или структуру указанных НПМ.

В одном из частных примеров способа по меньшей мере один ВР формируют посредством НПМ от одного базового КА.

В другом частном примере ВР формируют локально изменяя параметры и/или структуру одного НПМ с борта базового КА.

В другом частном примере ВР формируют с борта базового КА посредством нескольких НПМ, взаимодействующих друг с другом в указанных областях пространства.

В другом частном примере размещение множества указанных ретрансляторов осуществляют образуя указанную линию передачи сигналов через один или более базовых КА.

В другом частном примере ВР формируют от различных базовых КА посредством НПМ, взаимодействующих друг с другом и/или с окружающей средой в указанных областях пространства.

В другом частном примере команды на формирование ВР с борта базовых КА передают на указанные КА по низкочастотной (НЧ-, ОНЧ- или СНЧ) линии через ионосферные волноводы.

В другом частном примере для передачи сигналов используют носитель (например, электромагнитную волну), который посылают и принимают вдоль указанных НПМ - между ВР и базовым КА.

Указанная цель достигается также тем, что в известной системе [5] космической связи, содержащей развертываемый на орбите по меньшей мере один базовый КА и управляемые с борта базового КА средства ретрансляции сигналов связи через области пространства, образующие линию передачи этих сигналов между заданными в текущий момент времени пользователями, в отличие от нее, указанные средства выполнены в виде размещенных на одном или нескольких базовых КА генераторов направленных потоков материи (НПМ) и устройств для наведения этих потоков в указанные области пространства, причем эти генераторы и устройства выполнены с возможностью создавать потоки с пространственно-временными и физическими и/или химическими характеристиками, обеспечивающими при взаимодействии потоков друг с другом и/или с окружающей средой формирование в указанных областях пространства виртуальных ретрансляторов (ВР) упомянутой линии передачи сигналов связи.

В одном из частных примеров системы указанные генераторы НПМ содержат ускорители материальных тел.

В другом частном примере указанные генераторы НПМ содержат ускорители нейтральных и/или заряженных частиц (элементарных частиц, атомов, молекул, плазмы).

В другом частном примере указанные генераторы НПМ содержат источники высоконаправленного электромагнитного излучения (СВЧ-, рентгеновского и др. ).

В другом частном примере указанные генераторы НПМ выполнены в виде узлов, объединяющих в себе различные комбинации вышеуказанных ускорителей и/или источников и снабженных средствами для реализации заданных режимов совместного действия этих ускорителей и/или источников.

Причем указанные средства выполнены с возможностью реализации совместного действия этих ускорителей и/или источников - как вдоль одного направления в пространстве, так и разных, пересекающихся друг с другом.

В другом частном примере каждый базовый КА содержит не менее двух указанных генераторов НПМ и устройства для наведения этих НПМ в область их взаимного пересечения, а также по меньшей мере один генератор НПМ и устройство для наведения его НПМ в область пересечения с НПМ другого базового КА или область окружающей среды.

В другом частном примере базовые КА содержат приемопередающие элементы, способные взаимодействовать с ВР и/или иными объектами, передающими радиоволны.

Этими объектами могут быть ионосферные волноводы.

Наконец, в еще одном частном примере на борту базовых КА может быть предусмотрено оборудование для обработки и преобразования данных, передаваемых по указанной линии передачи сигналов между заданными в текущий момент времени пользователями.

Для формирования НПМ могут быть использованы:
- потоки микрочастиц (например, пыли),
- пучки заряженных частиц (плазмы) и нейтральные (атомные или молекулярные) пучки,
- электромагнитное излучение (лазерное, СВЧ, рентгеновское и др.),
- потоки материальных тел ("микроустройств", в том числе мехатронных),
причем НПМ могут быть различными комбинациями (в разные моменты времени) этих отдельных потоков.

Среди внешних ресурсов окружающей среды, которые могут участвовать в создании ВР, можно упомянуть:
- ионосферу,
- нижнюю атмосферу (до ~ 100 км),
- солнечный ветер, космические лучи,
- РПЗ (частицы с энергиями ~ 1...10 МэВ),
- дугу полярных сияний (авроральные электроны),
- техногенный "космический мусор".

Для формирования НПМ может быть целесообразным использовать (в составе бортовых ЯЭУ базовых КА) энергетику ядерных зарядов, удаляемых с Земли в космос по программам разоружения (см., например, [6,7]).

Реализация изобретения предполагает применение передовых технологий, в т. ч. разработки по известной американской программе СОИ (~ 1980-е гг.) и, в частности, в области высокоточных систем космического оружия:
- лазерного,
- пучкового,
- кинетического (см., например, [8]),
а также широкие структурно-функциональные и энергетические возможности ТС разных типов (см. [4], а также [9]).

Принципиально предлагаемая концепция связи выглядит эффективной, хотя и требует значительного технологического прорыва. Прежде всего интересны оценки массового расхода на создание ВР.

Пусть ВР существует в течение времени τ и создан на основе некоторой газовой (паровой) области путем ее тепловой, корпускулярной или фотоионизации, со средней тепловой скоростью частиц

где T, m_A - температура и масса ионов газа или пара (для одноатомных газов m_A≈m_p•А, где m_p - масса протона). Характерный (для частот ~ ГГц ) объем области ВР~1 м³ соответствует

В области должна содержаться масса μ рабочего вещества, дающая требуемую концентрацию плазмы N_e≈μN_A/μ_A≈10¹⁶...10¹⁷ м^-3 (при однократной ионизации всех атомов, для частот ~ ГГц), где N_A≅6•10²³ моль^-1 - число Авогадро; μ_A - масса грамм-атома (грамм-молекулы) вещества.

Таким образом, после простых преобразований и подстановки констант получим
μ≈μ_AN_e/N_A≈10^-7μ_A (масса одного ВР),

(время существования одного ВР),

(секундный расход массы на поддержание ВР).

Если ионизация достигается сильным нагревом (например, лазерным испарением частицы), то T≈10⁵ К и τ~10^-4 с^-1 (для вещества с А~10...50). Это значит, что ВР "мерцает" с частотой порядка 10 КГц, то есть примерно в 10⁵ меньшей рабочей радиочастоты (~ГГц), что приемлемо. Масса "мгновенного" ВР весьма мала (~ 10^-3 мг), а непрерывный расход массы составляет всего μ′~1 мг/c (или 100 г/сут и около 40 кг/год).

При использовании низкотемпературных паров некоторых веществ (при их ионизации внешним пучком, например, рентгеновского излучения) T≈100 К и τ~ 0,01...0,001 с^-1 (частота "мерцания" ВР менее 1 КГц), a μ′~10 г/сут и т.д.

Следует, конечно, иметь в виду, что столь малые затраты массы отвечают сильно идеализированным оценкам.

Заметим, что в объемах порядка 1 м³ содержатся массы ВР μ≈10^-8...10^-6 г (для легких или более тяжелых веществ), что отвечает плотностям атмосферы на высотах 400. ..150 км. Ввиду этого для генерации соответствующих ВР принципиально может быть взят атмосферный газ - выше же следует использовать искусственные среды и объекты.

Ниже будут приведены некоторые частные примеры создания ВР.

Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 показана схема образования множества ВР с борта одного базового КА.

На фиг. 2 показан вариант передачи сигнала через ВР из одного полушария Земли в другое.

На фиг. 3 показана схема образования множества ВР с борта двух базовых КА.

На фиг.4 показан вариант передачи сигнала через ВР, аналогичный фиг.2.

На фиг.5 представлен один из возможных вариантов исполнения базового КА: в виде гравитационно-ориентированной ТС.

На фиг.6 представлен другой вариант исполнения базового КА: в виде динамической орбитальной ТС (см, например, [4]).

На фиг.7 показан принцип формирования рабочей поверхности ВР путем фокусировки набегающего на тело потока частиц, отраженных от специально профилированной поверхности этого тела.

На фиг. 8 представлен пример указанного тела и формируемой им плоской рабочей поверхности ВР.

На фиг. 9 показана схема формирования ВР путем взаимодействия потока (пучка) с газовой (паровой или пылевой) оболочкой.

На фиг.10, 11, 12 схематично представлен один из примеров формирования и управления диаграммой направленности ВР на базе пересекающихся НПМ (пучков).

Описание предпочтительного примера реализации изобретения
Один или более базовых КА выводятся на заданные орбиты, которые, вообще говоря, могут широко варьироваться: от низких (~500...1000 км) до средних и высоких (~10000...42000 км и более), от экваториальных до полярных и т.д. По ряду технико-экономических соображений предпочтительны низкие и средние околокруговые орбиты, наклонение которых следует выбирать с учетом особенностей взаимодействия НПМ с геомагнитным полем и других факторов.

Каждый из базовых КА 1, 2 оснащен средствами генерирования НПМ 3, с помощью которых формируется требуемая пространственно-временная система ВР 4 (фиг.1, 3). Области возможного размещения ВР зависят от высот орбит, числа и текущей взаимной конфигурации базовых КА. Как видно из фиг.2 и 4, эти области в каждый момент времени представляют собой внешнее пространство "R" некоторых конических (биконических) тел, образующими которых служат линии НПМ 3, касательные к поверхности Земли (или к достаточно плотным слоям ее атмосферы).

Посредством одного НПМ 3 могут формироваться -одновременно или последовательно - несколько ВР: 4₁, 4₂,...4_N (фиг.1). Каждый ВР может обслуживать определенную область на Земле (или в космосе), попадающую в поле его обзора 5. Это поле обзора зависит от типа и качества формирования ВР, от условий радиовидимости ВР в данном волновом диапазоне и др. известных факторов.

Из фиг. 1 и 2 видно, что глобальная связь принципиально может обеспечиваться всего одним базовым КА 1. Данный КА должен либо генерировать одновременно несколько "лучей" (НПМ) 3 с соответствующими "нанизанными" на них ВР, либо - один сканирующий "луч", но при условии формирования им "долгоживущих" ВР (сохраняющихся после ухода "луча" в течение времени, достаточного для передачи сигнала по всей цепи ВР). Так становится возможной, например, передача сообщений из одного полушария Земли в другое (фиг.2).

Сказанное относится, очевидно, к двум и более базовым КА (фиг.3, 4); при этом режим формирования ВР может быть сделан менее напряженным и более гибким.

Предпочтительно включение в цепь передачи данных самих базовых КА (фиг. 4), что повышает надежность и качество связи, а также снижает ее энергетику - поскольку основное приемопередающее оборудование и вспомогательные системы сосредоточены на базовых КА, а высокую точность ориентации и острую направленность диаграмм ВР обеспечить затруднительно.

Базовые КА могут создаваться как большие космические платформы (БКП) или предпочтительно как протяженные ТС. На фиг.5 представлена гравитационно-ориентированная ТС с кабель-тросом 6. Длина кабель-троса типично составляет 5. . .10 км; в энергонапряженном варианте, например при использовании одного или двух мощных базовых КА, эта длина может быть увеличена до ~ 100 км и более (на высоких орбитах). Вдоль кабель-троса 6 установлены генераторы 7 НПМ 3₁, 3₂, 3₃, 3₄,... На верхнем конце размещен энергоблок 8, например ЯЭУ. В центральной части установлен основной системный модуль 9 (с системами навигации-управления, энергораспределения, преобразования и обработки информации и т. д. ). На нижнем конце предусмотрен блок-противовес 10 некоторых вспомогательных систем, в т.ч. стыковки с обслуживающими КА (ТКА, космическими буксирами и др.). Центр масс ТС движется по околокруговой орбите 11.

Приемопередающие элементы могут размещаться вдоль кабель-троса 6 и/или в местах установки генераторов 7. При этом могут быть реализованы оперативно перенастраиваемые антенны широкого диапазона: от ОНЧ- до типичных радиоволн (см. [4, 9]). Базовые КА могут снабжаться особой (минуя ВР) системой связи друг с другом (радио, светосигнальной, лазерной и др.).

Число, тип и назначение генераторов 7 может быть различным. Например, одни из них предназначены для создания ВР 4 на пересечении их НПМ 3₁, 3₂; другие формируют ВР на "лучах" 3₃, 3₄ - в автономном режиме (фиг.1) или во взаимодействии с удаленными базовыми КА (фиг.3). Генераторами НПМ могут быть различные ускорители (микрочастиц, плазменные, ионные и др.), предпочтительно объединенные - с сочетанием их типов - в комплексные узлы, обладающие необходимой "скорострельностью" и снабженные высокоточными системами оперативного нацеливания.

Развитая структура базового КА-комплекса может быть реализована на основе динамической ТС (см., например, [4]). Стабилизированные модули 12 (фиг.6) удерживаются в заданной конфигурации динамическим контуром 13 ("бегущим" тросом). На этих модулях 12 установлены, на некоторых конструктивных базах, генераторы 7, создающие НПМ 3_i для формирования ВР (показан случай генерации СВЧ-разрядов в атмосфере [12], см. ниже).

Физические (физико-химические) процессы, равно как и соответствующие технические средства, которые могут быть положены в основу формирования ВР, весьма разнообразны. Ниже кратко приведем лишь некоторые упрощенные примеры, детали которых понятны для специалистов.

Действие сверхскоростных тел в ионосферной среде
Ускорение микротел (массой ~ 1 мг...1 г) до скоростей порядка 10...100 км/с может быть обеспечено электростатическими или электромагнитными ускорителями, разрабатывавшимися, в частности, как кинетическое оружие по программе СОИ. Такого рода устройство описано, например, в [10]. Тела могут иметь вид "таблеток", капсул или иную форму.

Вследствие зеркального и/или диффузного отражения тело 14, имеющее местную кривизну поверхности R₀, создает вокруг себя области сгущения и разрежения плазмы и нейтральных частиц. В частности, при идеальных зеркальном отражении и качестве исполнения отражающей поверхности тел возможна фокусировка частиц в области F (см. фиг.7, 8) с теоретическим ростом концентрации n₀ --> ∞ в этой области.

Соответствующие формы фокусирующих тел можно определить по расчетной методике, изложенной в монографии [11].

В данном случае представляют интерес малые тела (~ см), образующие вокруг себя области с размерами ~ м. Наиболее простая поверхность фокусировки F - плоскость: z_F= const; ρ_F = ρ_F(z). Форма поверхности тела вращения 14 при этом оказывается близкой к конусу (см. фиг.8)

где все размеры в формуле для обвода тела отнесены к (ρ_F)_max - максимальному радиусу зоны фокусировки.

При малых "углах атаки" тела плоскость F будет соответственно наклонена, практически не искажаясь, так что имеется принципиальная возможность управлять ориентацией диаграммы данной F-антенны, воздействуя каким-либо известным методом на угловое движение тела.

Набегающий на тело газовый поток индуцирует поток энергии q≈ρV₀ ³р_а, где коэффициент аккомодации р_a=1-V²/V₀ ²≈0,5 М/М_с, а М, M_c - соответственно массы частиц (молекул) набегающего потока и вещества стенки [11, с.62-64]. Для характерных условий в ионосфере (ρ ≈ 10^-12...10^-14 кг/м³, скорости тел ~ 10⁵ м/с и значениях р_a ~ 0,1) получаются диссипативные энергопотоки q ≈ 1...100 Вт/м², что в тепловом отношении весьма мало и само по себе не вызывает перегрева и ионизации вблизи поверхности тел.

Однако в области фокусировки F картина иная: это - область высокой плотности вещества (высокой частоты столкновений частиц) с характерной температурой, отвечающей скорости частиц V ~ V₀, т. e. Т > m_pV₀ ²/k ≅ 1,6•10^-27 кг • 10¹⁰ (м/с)²/1,410^-23 Дж/К ~ 10⁶ К. Т.о., учитывая неидеальность фокусировки и другие факторы, можно рассчитывать на температуры порядка 10⁵ К, что отвечает высокой степени (почти полной) ионизации.

Оценку массы микротел произведем из условия допустимого торможения этих тел атмосферой в течение рабочего времени (Δt ~ 10 с) их существования. Так, при скорости тела V₀~10⁵ м/с на высотах 500-1000 км ρ ~ 10^-12-10^-14 кг/м³; Р ~ ρV₀ ² ~ 10^-2-10^-4 Па; S_mid ~ 10 см² ~ 10^-3 м², назначая ускорение из условия, чтобы за время Δt ~ 10 с скорость тела уменьшилась не более чем до ΔV ~ (0,5-0,7)V₀ (и чтобы расстояние было ~ 1000 км), получим а ~ (5-7)•10³ м/c² ~ ρV₀ ² S_mid/М_тела, и оценку для массы тела: М_тела~10^-9-10^-11 кг. Очевидно, что создание столь ничтожных масс зависит лишь от уровня технологии ("микротехники"), поэтому можно просто считать, что, чем меньше тело, тем лучше.

СВЧ-волновые разряды в нижней атмосфере
Искусственная ионизированная область в атмосфере (фиг.6) может создаваться направленными пучками СВЧ-волн. Перспективны пересекающиеся пучки на высотах 30-60 км, дающие четко локализованные области отражения интересующих радиоволн (несущей частоты f_m) - в виде тонких слоев с высокой концентрацией плазмы N_e~10¹⁶ м^-3 (что гораздо больше, чем для одиночных пучков) (см. таблицу).

Пробой осуществляется мощным коротким радиоимпульсом, а дальнейшая ионизация поддерживается непрерывным или импульсным излучением с меньшей энергией - см. [12, с. 670].

Однако места расположения ВР здесь ограничены малыми высотами. Для расширения возможностей данного метода в желаемых точках пространства могут искусственно (кратковременно) создаваться газовые области с параметрами, аналогичными атмосферным на высотах ~ 30...60 км.

Плазмоиды рельсовых и коаксиальных ЭМУ
С помощью сильноточных импульсных плазменных ускорителей данных типов можно получать сгустки плазмы ("плазмоиды"), ускоряемые до скоростей порядка 10⁵ м/с (см., например, [13, с. 159-160]).

Эти плазменные образования могут иметь дискообразную форму, как на фиг.8 (с характерным радиусом r и толщиной δ), и достаточно высокую индуктивность L ~ r²/δ. Проводимость плазмоидов (σ > 10⁸ Ом^-1•м^-1) при высоких температурах их генерирования (~ 10⁸ К) дает малые характерные омические сопротивления R ~ 1/σδ и, как следствие, значительные константы затухания индукционных токов τ^* = 2L/R~0,1μ₀σr², практически, для r ≤ 1 м - порядка секунд и более.

При достаточно мощном начальном магнитном поле в ЭМУ плазмоид будет сохранять это поле в себе примерно в течение времени τ^* после "выстрела" и вследствие "вмороженности" поля в плазму - также и свою форму.

Пучки плазмы (заряженных частиц)
Нейтрализованный электронами пучок ионов с концентрацией n₀ может быть направлен, по аналогии с потоком q (фиг.8), на профилированное микротело 14 или иной объект - с тем, чтобы сформировать область, подобную фокусной поверхности F для отражения радиоволн.

Ионный ускоритель может обеспечить "высококоллинеарный" поток частиц с продольными скоростями V₀ до 10⁵ м/с и малыми случайными поперечными скоростями ионов ν_i<<V_o(например, ν_i~1 см/с). В таком потоке столкновения частиц в плазме будут крайне редки, как это можно усмотреть и из формулы для частоты столкновений (см. [13, с. 68 и 69]):
ν_ei≈25n_oZ²/T $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{3/2}}{\text{e}}$ (^*)
(здесь [n₀] = см^-3, Z - атомный номер, Т_е - электронная температура).

Здесь электронная температура Т_e, очевидно, не менее ионной Т_i ~ 10⁶ К (для водородной плазмы Z=1, при скорости частиц 10⁵ м/с), так что при n₀ = 10¹⁰...10¹¹ см^-3 будет ν_ei≈250...2500 1/c. Это крайне мало и не ведет к заметной рекомбинации плазмы с потерей ее концентрации.

Скорость рассеивающего объекта может отличаться от скорости частиц в пучке на различную величину ΔV₀ (при условии ν_i << ΔV₀ и в зависимости от конкретных требуемых параметров формируемого ВР). В отмеченном выше случае высококоллинеарного пучка целесообразны, по-видимому, небольшие разницы скоростей ΔV₀ ~ 1...10 км/с.

В качестве рассеивающего объекта, альтернативно, может быть рассмотрена относительно тонкая газовая оболочка 15 (фиг.9), формируемая, например, некоторым микровзрывным процессом. Для этого может быть использован микрозаряд, лазерное (или микроволновое) импульсное воздействие на выстреливаемую специальную "таблетку" или капсулу, подходящую частицу космического "мусора" и т.д.

Толщину слоя оболочки следует обеспечить не менее λ - средней длины свободного пробега в оболочке частиц набегающего ионного пучка. Если оболочку составляет в основном нейтральный газ, то
λ~(σ^*Ν_s)^-1,
где σ^* - эффективное сечение столкновений частиц потока с частицами оболочки (согласно [13, с.62], можно принять σ^*≈10^-15...10^-16 см²); N_s - концентрация частиц в рассеивающем слое оболочки.

Тогда данная оболочка может приближенно рассматриваться, например, как сфера, диффузно рассеивающая набегающий поток (ионный пучок) 16 (16'), согласно закономерностям, отмеченным в [11, с.53-62]. При этом перед зоной рассеивания образуются характерные, околосферические поверхности 17 (17') повышенной (~ в 2 раза) концентрации частиц потока (фиг.9), которые и могут служить ВР. Меняя положение потока (16-->16') относительно оболочки 15, можно управлять ориентацией отражающей области (17-->17'), а значит - и ВР в пространстве.

Различные сегменты самой оболочки 15 могут быть ионизированы, например, потоком 16 (16') жесткого γ-излучения и, таким образом, служить в качестве ВР.

Оценивая потребную массу оболочки (из вещества плотностью γ): μ_o≈4πR²λγ = 4πR²m_pA/σ^* (где m_p - масса протона, А - атомный вес), для характерных размеров ВР~ 1 м получим: μ_o≈(0,2...2)A•10^-9 кг, что не во много раз превосходит вышеприведенные теоретические оценки (для μ_A).
Использование пересекающихся НПМ (пучков)
Возможности формирования ВР существенно расширяются при наличии двух или более пересекающихся НПМ, генерируемых с борта одного и/или разных базовых КА (фиг.3, 5). Сами НПМ могут быть однотипными или разнородными.

Простейший случай двух пересекающихся НПМ проиллюстрирован на фиг.10-12. В данном случае в зоне пересечения 18 плазменных потоков q₁ и q₂ с концентрацией n₀ образуются одна или более областей 18 повышенной плазменной концентрации 2n₀. Форма и положение этих областей, определяющие диаграммы переизлучения (отражения) ВР, как наглядно показано на фиг.10-12, зависят от геометрии и других параметров пучков. Так, при уменьшении (фиг.11) ширины одного потока (q₁) по отношению к другому (q₂) падающая радиоволна 19 будет переизлучаться преимущественно в направлении 21. В обратном случае переизлучение будет превалировать в направлении 20.

"Стратификацией" одного из пучков (фиг.12) или обоих - можно образовать несколько зон 18₁, 18₂, 18₃,... повышенной плазменной концентрации и тем самым реализовать область переизлучения типа фазированной решетки, направив отраженную волну в желаемом направлении 22.

Важно отметить, что в отличие от самих НПМ образуемые описанным образом ВР квазистационарны.

Плазменные пучки могут быть получены на борту КА с помощью ионных ускорителей (с нейтрализаторами), причем возможна ионизация нейтральных (молекулярных) пучков непосредственно вблизи зоны их пересечения, например, жестким γ-излучением.

Плазменная концентрация в ВР: n_э=2n₀ соответствует требуемой несущей радиочастоте ретранслируемого сигнала; в самих же пучках резонанансная частота в

раза меньше. При этом диэлектрическая постоянная пучков по отношению к сигналу ε=1-n₀/n_э=1/2, а коэффициент преломления

Ввиду этого искажающее влияние пучков на радиосигнал (вдали от ВР) будет небольшим. Кроме того, появляется возможность попадания отраженного от ВР сигнала (части его: 20 и/или 21 - фиг.10 и 11) в "волновод пучка" и направления его в сторону соответствующего базового КА, что обеспечивает включение этого КА в цепь ретрансляции сигнала между потребителями. Последнее может быть весьма желательным, учитывая, с одной стороны, несовершенство ВР (и ввиду этого слабость отраженного сигнала), а с другой стороны - наличие мощного усилительно-преобразующего оборудования на борту базового КА.

Плотность тока пучка j=n₀•е•V (V - скорость направленного движения частиц пучка; е =1,6•10^-19 К - заряд электрона) оказывается на уровне ~ 10²... 10⁴ A/м² (при V ≈ 10⁵...10⁷ м/с). Используемые в ЭРД ионные источники способны дать плотности токов j ~ 10³ А/м ² и более (например, до (3...6)•10³ А/м² - в ионных пучках от источников с замкнутым дрейфом электронов) - см. [14].

Ускоренные и нейтрализованные пучки могут быть созданы малорасходящимися и с низкой частотой столкновений в них частиц. Последнее обстоятельство важно с точки зрения предотвращения быстрой рекомбинации, ведущей к снижению концентрации плазмы пучков. Используя формулу (*), видим, что число столкновений в пучках и в зоне их пересечения при скоростях V ≈ 10⁵...10⁸ м/с будет крайне незначительным.

Организация глобального действия предлагаемой сети информационного обмена может осуществляться подобно известной системе связи (прототипа [5]) с тем существенным различием, что вместо необходимых команд с борта базовых КА на традиционные спутники-ретрансляторы (с целью перенацеливания и подстройки их антенн и оборудования) в предлагаемой системе на борту базовых КА синтезируются условия для формирования сети ВР в зависимости от текущих запросов "виртуальных" потребителей, рассредоточенных по всему Земному шару и/или присутствующих на космических объектах и телах.

Уставки и команды на базовые КА для формирования НПМ и локализации ВР могут даваться от таких потребителей по ионосферным НЧ- и ОНЧ-каналам связи. Такие каналы могут быть естественными или искусственно создаваемыми (см. [9 с. 135, 153 и 154] и [15]). Передаваемые по ним низкие, по сравнению с основными (через ВР), потоки данных будут восприниматься соответствующими крупногабаритными антеннами ТС (образованными вдоль кабель-тросов 6; фиг.5). В описанном режиме работы протяженные ТС обладают весьма широкими возможностями.

Т.о., предлагаемые способ и система могут быть реализованы на базе известных в науке и технике принципов, развиваемых с учетом существующих и перспективных технологий, что свидетельствует о промышленной применимости изобретения.

Эффективность изобретения обусловлена не только сокращением потребного числа и массы космических объектов, выводимых в космос для задач связи, но и возможностью "конверсионной" утилизации ряда передовых разработок в области систем наземного и космического оружия.

Различные модификации изобретения очевидны для специалистов и ограничены только его объемом согласно нижеприводимой формуле.

Библиография
1. БОНЧ-БРУЕВИЧ А.М. и др. Системы спутниковой связи. - М.: Радио и связь, 1992, с. 15-36.

2. МОЖАЕВ Г. В. Синтез орбитальных структур спутниковых систем. - М.: Машиностроение, 1989, с. 170-180.

3. EDELSON B.I. et al. The evolution of the Geostationary platform concept., IEE Journ., vol. SAC-5, N 4, May 1987, p. 607, 612, 608.

4. RU 2058916 С1 (МТУСИ); 27.04.96.

5. US 4375697 A (HUGHES AIRCRAFT COMP.); 01.03.83 (прототип).

6. RU 2041140 С1 (А.А. РАСНОВСКИЙ); 09.08.1995.

7. RU 2112718 C1 (А.А. РАСНОВСКИЙ); 10.06.1998.

8. Космическое оружие: дилемма безопасности. Под ред. акад. Е.П. ВЕЛИХОВА и др. - М.: Мир, 1986.

9. Итоги науки и техники. Ракетостроение. Т. 12. М., 1991.

10. US 4765222 A (THE BOEING COMP.); 23.08.1988.

11. АЛЬПЕРТ Я. Л. , ГУРЕВИЧ А.В. и др. Искусственные спутники в разреженной плазме. - М.: Наука, 1964, с.53-62.

12. КОЗЛОВ С.И., СМИРНОВА Н.В. Методы и средства создания искусственных образований в околоземной среде и оценка характеристик возникающих возмущений (часть II). Космические исследования. Т.30, Вып.5, 1992, с.670.

13. АРЦИМОВИЧ Л.А. Элементарная физика плазмы. - М.: Атомиздат, 1963.

14 С.Д.ГРИШИН, Л.В.ЛЕСКОВ. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М. "Машиностроение". 1989. С. 61, 119.

15. КУЛЬКОВ В. М. Концепция глобальной системы космической связи с использованием искусственных проводящих каналов в ионосфере. - Тез. докл. юбилейной н.-т. конф. проф.-преп., научного и инженерно-технич. состава. МТУСИ, 26 февр. - 1 марта 2001 г., М., 2001, с. 52 и 53.

Claims (18)

1. Способ осуществления космической связи, включающий развертывание на орбите по меньшей мере одного базового КА, размещение множества ретрансляторов сигналов связи в областях пространства, образующих линию передачи этих сигналов между заданными в текущий момент времени пользователями, и управление ретрансляторами с помощью указанного по меньшей мере одного базового КА, отличающийся тем, что в указанных областях пространства размещают виртуальные ретрансляторы (ВР), которые формируют с борта одного или более базовых КА посредством направленных потоков материи (НПМ), в качестве которых используют, например, потоки микрочастиц, пучки заряженных частиц, электромагнитное излучение, потоки материальных тел или их различные комбинации, причем управление ретрансляторами производят, меняя параметры и/или структуру указанных НПМ.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один ВР формируют посредством НПМ от одного базового КА.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что ВР формируют, локально изменяя параметры и/или структуру одного НПМ с борта базового КА.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что ВР формируют с борта базового КА посредством нескольких НПМ, взаимодействующих друг с другом в указанных областях пространства.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что размещение множества указанных ретрансляторов осуществляют, образуя указанную линию передачи сигналов через один или более базовых КА.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что ВР формируют от различных базовых КА посредством НПМ, взаимодействующих друг с другом и/или с окружающей средой в указанных областях пространства.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что команды на формирование ВР с борта базовых КА передают на указанные КА по низкочастотной линии через ионосферные волноводы.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что для передачи сигналов используют носитель, который посылают и принимают вдоль указанных НПМ - между ВР и базовым КА.

9. Система космической связи, содержащая развертываемый на орбите по меньшей мере один базовый КА и управляемые с борта базового КА средства ретрансляции сигналов связи через области пространства, образующие линию передачи этих сигналов между заданными в текущий момент времени пользователями, отличающаяся тем, что указанные средства выполнены в виде размещенных на одном или нескольких базовых КА генераторов направленных потоков материи (НПМ) и устройств для наведения этих потоков в указанные области пространства, причем эти генераторы и устройства выполнены с возможностью создавать потоки с пространственно-временными и физическими и/или химическими характеристиками, обеспечивающими при взаимодействии потоков друг с другом и/или с окружающей средой формирование в указанных областях пространства виртуальных ретрансляторов (ВР) упомянутой линии передачи сигналов связи.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что указанные генераторы НПМ содержат ускорители материальных тел.

11. Система по п.9, отличающаяся тем, что указанные генераторы НПМ содержат ускорители нейтральных и/или заряженных частиц.

12. Система по п.9, отличающаяся тем, что указанные генераторы НПМ содержат источники высоконаправленного электромагнитного излучения.

13. Система по пп.9-12, отличающаяся тем, что указанные генераторы НПМ выполнены в виде узлов, объединяющих в себе различные комбинации вышеуказанных ускорителей и/или источников, и снабженных средствами для реализации заданных режимов совместного действия этих ускорителей и/или источников.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что указанные средства выполнены с возможностью реализации совместного действия указанных ускорителей и/или источников как вдоль одного, так и разных, пересекающихся друг с другом, направлений в пространстве.

15. Система по любому из пп.9-14, отличающаяся тем, что каждый базовый КА содержит не менее двух указанных генераторов НПМ и устройства для наведения этих НПМ в область их взаимного пересечения, а также по меньшей мере один генератор НПМ и устройство для наведения его НПМ в область пересечения с НПМ другого базового КА или область окружающей среды.

16. Система по любому из пп.9-15, отличающаяся тем, что базовые КА содержат приемопередающие элементы, способные взаимодействовать с ВР и/иди иными объектами, передающими радиоволны.

17. Система по п.16, отличающаяся тем, что указанными объектами являются ионосферные волноводы.

18. Система по любому из пп.9-17, отличающаяся тем, что на борту базовых КА предусмотрено оборудование для обработки и преобразования данных, передаваемых по указанной линии передачи сигналов между заданными в текущий момент времени пользователями.

Images