Поле течения около затупленного тела при входе в атмосферу.

За фронтом ударной волны воздух сжимается и сильно нагревается, появляется ионизация, в результате чего в канале связи «аппарат-земля» возникает слой воздушной плазмы. Толщина слоя влияет на величину затухания.

Частицы теплозащитного покрытия уносятся и также ионизируются, из-за чего плазма становится не чисто воздушной. Поэтому ионизация у разных элементов абляционного покрытия различная.

Потенциалом ионизации называется минимальная энергия, с которой начинается ионизация. У щелочных металлов потенциал ионизации мал.

Теплозащита антенн

В качестве теплозащиты антенн должны применяться нагревостойкие радиопрозрачные диэлектрики. Основная электрическая характеристика, которой оцениваются свойства диэлектриков – (абсолютная диэлектрическая проницаемость, которая является комплексной величиной).

– относительная диэлектрическая проницаемость воздуха (вакуума).

Реальная часть (относительная диэлектрическая проницаемость) характеризует при прохождении радиоволн факт отражения от границы раздела «окружающая среда-слой диэлектрика»; мнимая часть, через которую вводится тангенс угла диэлектрических потерь , характеризует явление поглощения в диэлектрике.

Энергия в диэлектрике тратится на поляризацию частиц (т.е. их выстраивание). В то же время электронная поляризация затрат энергии не требует.

У «хороших» диэлектриков составляет величина 10^-4...10^-5, т.е. потерями в материале на поглощение можно пренебречь и учитывать только реальную часть, которая влияет на потери на отражение.

Таким образом, диэлектрик, используемый для теплозащиты антенн, должен иметь минимальные потери на поглощение и минимальные потери на отражение.

Применяемые материалы:

Радиопрозрачность – это свойство, при котором имеем минимальные потери при прохождении данного материала. Радиопрозрачность как характеристика, оценивающая потери, зависит от диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь.

Нагревостойкость – способность функционировать и не разрушаться при очень высоких температурах.

Раскроем эту таблицу подробнее.

При выбранной теплозащите стремятся избавиться от отражения (иметь хороший КСВ) и увеличить КПД. Однако лабораторные испытания теплозащиты отличаются от реальных. Это связано с тем, что характеристики антенны изменяются в полете – на них, таким образом, влияют условия эксплуатации.

Все характеристики являются функцией температуры. От температуры также меняются и параметры электрические. Теория поляризации диэлектриков объясняет процесс изменения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь в зависимости от температуры, однако она не дает аналитических зависимостей. Температурные зависимости, таким образом, получают в ходе эксперимента. Сложность эксперимента состоит в достижении высоких температур и проведении измерений в условиях таких температур. Примером высокотемпературного источника может служить электросварка. При электросварке происходит протекание сильного тока в диэлектрике (газе).

Нужно стремиться к высокотермостабильным материалам. Если будет меняться , будет увеличиваться КСВ, будет отражение и потери мощности. Если возрастает тангенс, то падает КПД.

Зависимость относительной проницаемости от температуры:

1 – Al₂O₃; 2 – BeO; 3 – ситалл; 4 – BN; 5 – ГПНБ; 6 – SiO₂

Зависимость tgd от температуры:

1 – Al₂O₃; 2 – BeO; 3 – ситалл; 4 – BN; 5 – ГПНБ; 6 – SiO₂

На поверхности нагрева и при уносе массы на ракете остается тонкий слой расплавленного диэлектрика. Он уносится набегающим потоком, но плавление все время возобновляется. Нагретый расплав перегревается и потому имеет ионный характер. Таким образом, расплав уже не является диэлектриком по своим свойствам, а может проявлять как полупроводниковые, так и проводящие свойства. Фактически, это является экранированием антенны.

Свойства плазмы

При прохождении плотных слоев атмосферы космический аппарат окружается плазмой между корпусом и фронтом ударной волны – воздушной плазмой с добавкой абляционного продукта ионизации (в состав которых входят щелочные металлы, влияние которых сильно заметно).

Плазма – газообразный ионизированный материал со свободными несвязанными зарядами. Плазма состоит из электронов, ионов и малоподвижных атомов, которых больше всего. Это дисперсная (то есть частотно-зависимая) среда.

Свойства плазмы:

1) степень ионизации – отношение числа свободных электронов в единице объема к числу атомов в том же объеме. Учитывая, что число частиц в единице объема эта концентрация, можем записать:

Это очень низкая степень ионизации (ионизирован 1 атом из 100 000). Высокую степень ионизации, например, , имеют звезды. Разница между земной плазмой и звездной – температура.

2) плазма не изотермична – температура частиц плазмы неодинакова. Максимальная температура у электронов, так как имеют наименьшую массу.

3) «полётная» плазма считается низкотемпературной (

4) плазма всегда квазинейтральна в электрическом плане, если её объемы превышают радиус Дебайя:

Пусть T_e=10⁴ К=1 эВ. Для такой температуры N_e=10¹⁴ см^-3. Тогда радиус Дебайя можно рассчитать:

Если плазма нейтральна, то можем считать, что в ней нет собственных электрических полей.

5) рассмотрим физику процесса прежде чем вводить характеристику. Электрон в плазме выходит из своего стационарного положения. При смещении электрона возникает разность потенциалов между электроном и ионом, которые оказались разнесены. Разность потенциалов вызывает электрическое поле, которое стремится вернуть электрон в исходное состояние. В этом движении он приобретает инерцию и по инерции проходит свое стационарное состояние, оказываясь в противоположной стороне. Поле снова воздействует на него, но оно противоположного направления. Возникает колебательный процесс. Эти колебания электрона оцениваются плазменной частотой:

где	е – электрический заряд; – абсолютная диэлектрическая проницаемость воздуха или вакуума; me – масса электрона.

Можем переписать формулу иначе:

Таким образом, плазменная частота зависит от степени ионизации.

6) по электрическим характеристикам плазма может быть:

- проводником (оценивается электропроводностью)

- диэлектриком (оценивается диэлектрической проницаемостью).

Диэлектрическую проницаемость и электропроводность можно пересчитать друг в друга.

Будем рассматривать плазму как диэлектрик, поэтому будем обращаться к характеристикам диэлектрических сред.

Диэлектрические среды характеризуются вектором поляризации . Есть характеристика, которая говорит, как поляризуется диэлектрик (ориентируются заряженные частицы в диэлектрике). Говоря о поляризуемости, мы оцениваем, насколько сильное внутреннее электрическое поле возникает от ориентации зарядов.

Рассмотрим поведение вектора поляризации. Это величина комплексная, будем говорить о модуле комплексной среды. Для плазмы как среды диэлектрической мера поляризации определяется в частности числом свободных зарядов (электронов):

где

- концентрация электронов; e – электрический заряд; – смещение электрона (его смещает напряженность внешнего поля); – абсолютная диэлектрическая проницаемость воздуха или вакуума; - диэлектрическая восприимчивость среды; Е – напряженность электрического поля, для которого хотим определить свойства плазмы.

Формула (1) – частная формула для одномерного случая (одномерность проявляется в смещении – не фиксируем направление смещения), а также линейного случая (линейной плазмы).

Для плазмы утверждение о линейности выполняется с меньшей вероятностью, чем для диэлектрика. Дело в том, что если напряженность высокая, то эта напряженность может являться источником дополнительной ионизации.

Электрон смещается по направлению поля силовых линий (по направлению электрического потенциала). Поэтому для одномерного случая формула (1) справедлива.

Величина смещения определяется известной формулой Ланжевена. Сам вид уравнения оказывается следующим:

где	- частота соударений электронов в плазме (электроны соударяются с атомами); - масса электрона.

Точками обозначено дифференцирование по времени. Чтобы дифференцировать по времени, надо знать временную зависимость движения электронов. Она будет зависеть от временной характеристики изменения силы, которая вызывает движение электронов.

Формула (2) – частная формула в том смысле, что движение справедливо при отсутствии магнитного поля. Магнитное поле влияет на движение электронов, меняя как траекторию, так и скорость. Это утверждение справедливо, т.к. магнитное поле Земли слишком мало (4 Гаусса), а также до тех пор, пока мы специально не применяем какое-то магнитное поле. Магнитное поле, например, можно использовать для просветления плазмы.

Чаще всего можем говорить, что поле меняется по гармоническому закону, поэтому будем считать, что характер изменения поля, для которого хотим найти свойства плазмы, тоже гармонический во времени. Временной закон – экспонента .

Выполняя дифференцирование, получаем следующую формулу:

Из последнего уравнения в явном виде запишем выражение для смещения электрона:

Из (1) выразим диэлектрическую восприимчивость среды :

Через диэлектрическую восприимчивость абсолютную диэлектрическую проницаемость любой среды как комплексную величину можно выразить так:

где	- реальная диэлектрическая проницаемость (относительная диэлектрическая проницаемость); - мнимая диэлектрическая проницаемость; – частота поля, для которого хотим определить свойства плазмы.

Диэлектрическая проницаемость плазмы зависит от соотношения частот. При изменении рабочей частоты поля, которым облучаем плазму, меняются свойства плазмы.

Какой может быть относительная диэлектрическая проницаемость? Она может быть меньше единицы или отрицательной. Для любых твердых диэлектриков меньше единицы она быть не может. Тем не менее, при среда диэлектрическая, но с существенными потерями в ней (потери на поглощение). При , среда становится проводящей. При попадании магнитного поля на такую среду, оно проходить не будет, однако проникать на глубину проникновения (расстояние, на котором поле затухает в «е» раз) будет.

Плазма будет являться проводником при . Мы можем управлять этим соотношением, т.к. нам подвластна рабочая частота. Чтобы уменьшить влияние плазмы (сделать ее диэлектриком), необходимо увеличивать рабочую частоту .

Свойства плазменной оболочки (cоотношение частот для диэлектрика с потерями неправильное: )

На этом рисунке свободное пространство – это неионизированный слой воздуха. Воздух ионизируется при 3000 К (при атмосферном давлении). Металлообразная образная оболочка и диэлектрик с потерями – плазма. ГЗЛА – гиперзвуковой летательный аппарат. Нужно учитывать, что в носовой части не толстый слой плазмы, а тонкий.

Как обеспечить радиосвязь в таком случае? Можем выбрать местоположение антенны – найти такое место в боковой части, где потери будут минимальны. Также можно компоновать антенну в носовой части, однако возникают трудности с теплостойкостью, имеют место большие потери в мощности.