Диссертация (Повышение помехоустойчивости радиосистем космической связи при воздействии радиоизлучения стационарных плазменных двигателей), страница 12

Поэтому уровеньпомех, попадающих в приемный тракт бортовых систем, будет определяться как интенсивностьюи спектрально-временными характеристиками излучения ЭРДУ, так и геометрией взаимногорасположения антенн, плазменной струи и корпуса аппарата.1.2 Воздействие ЭРД на радиосистемы КАПри проектировании и создании КА, в особенности с длительными сроками активногосуществования (САС), необходимо, наряду с факторами космического пространства (ФКП),учитывать факторы техногенного характера (ФТХ), обусловленные функционированиемсобственных систем КА.

К ним относятся, в частности, воздействия, связанные сфункционированием ЭРД и обусловленные как физическим, так и электромагнитнымвоздействием плазмы, генерируемой ЭРД [54].1.2.1 Основные факторы, связанные с функционированием ЭРДВысокие скорости истечения частиц и их ионизированное состояние приводят к тому, чтоплазменные струи ЭРД могут интенсивно взаимодействовать с окружающей средой,материалами внешних поверхностей КА и его системами. Среди возможных эффектов ифакторов воздействия работающего ЭРД на КА, его бортовые системы и окружающую среду внастоящее время выделяют следующие [6]:• эрозионное и загрязняющее воздействие;• силовое и тепловое воздействие;• изменение электрического потенциала КА;• изменение состава и параметров окружающей КА среды;• изменение эффективной поверхности рассеяния КА;• излучение в оптическом диапазоне;• изменение условий прохождения электромагнитных волн в близи КА;• изменение диаграмм направленности бортовых антенн;49• излучение в радиодиапазоне.1.2.2 Влияние ЭРД на характеристики радиоканала связи с КАПри использовании современных радиоэлектронных систем (связных, радиолокационныхи навигационных), предназначенных для обеспечения функционирования КА ближнего идальнего космоса, необходимо учитывать наличие на трассе распространения радиоволнестественных и искусственных плазменных образований, в частности создаваемых струями ЭРД.В общем случае используемые радиосигналы, проходя через космическую (ионосферную)плазму и плазменные струи ЭРД, изменяют свои характеристики за счет затухания (ослабления),изменения углов рефракции, возникновения дифракции, появления временных задержек идисперсионных искажений и т.д.При этом могут изменяться и некоторые функциональные характеристики радиосистем,например, такие как форма и параметры диаграмм направленности антенн, эффективнаяизотропно излучаемая мощность, спектрально-временные характеристики сигналов и т.п.Необходимо также учитывать, что ЭРД является источником широкополосного шумовогоизлучения сложной спектрально-временной структуры.Кроме того, сама природа работы ЭРД приводит к стохастическим изменениямконцентрацииплазмывовремениотносительносреднихзначений.Следовательно,флуктуационный характер будет иметь и пространственный коэффициент преломленияплазменной струи, в результате проходящие электромагнитные волны получат амплитудную ифазовую модуляцию [6].Амплитудные и фазовые искажения сигналов в плазменной струеТеоретические модели и результаты экспериментального исследования ослабленияэлектромагнитных волн при прохождении через плазменную струю ЭРД рассмотрены, например,в[55],[56].Предполагается,чтонаправлениепаденияэлектромагнитнойволныперпендикулярно оси ЭРД, что позволяет получить граничные (наихудшие) оценки влиянияплазменной струи.

При этом мощность электромагнитной волны, прошедшей струю ЭРД,зависит не только от расстояния от среза сопла ЭРД, но также и от частоты электромагнитногосигнала.Флуктуации амплитуды сигнала могут происходить из-за нестационарности и неоднородности плазменной струи ЭРД и интерференционных явлений различного вида.

Как правило,интенсивность флуктуации уменьшается с увеличением частоты несущей. Следует отметить, чтов реальных условиях могут иметь место как общие, так и частотно-селективные замирания [6].Флуктуации фазы сигнала также связаны с наличием нестационарных неоднородностейв плазменной струе. Теоретические и экспериментальные зависимости величины фазового50сдвига радиосигнала, прошедшего через струю ЭРД, в зависимости от смещения точки приемаот оси ЭРД изучались, например, в [55], [56], [57].

В данных работах показано, что максимальныйфазовый сдвиг в 40…60 градусов имеет место для зондирования на уровне оси струи идостаточно быстро уменьшается по мере смещения приемника перпендикулярно этой оси(расстояние от среза сопла ЭРД 0,15 м). Заметный фазовый сдвиг продолжает наблюдаться начастотах вплоть до 17 ГГц и относительных расстояниях более 1 м.Дисперсионные искажения сигналов. Плазма является средой, обладающей частотнойдисперсией, поскольку в ней фазовая скорость электромагнитных волн зависит от частоты.

Этосвойство вызывает дисперсионные искажения радиосигналов, которые приводят к искажениюамплитудно-частотной и фазо-частотной структуры сигнала. Дисперсионные эффекты наиболеесильно проявляются при использовании широкополосных сигналов и могут оказатьсущественное влияние нахарактеристикипомехоустойчивостиискоростьпередачиинформации.Поляризационные эффекты.

Вращение плоскости поляризации и, в некоторых случаях,изменение направления вращения могут наблюдаться при распространении радиосигнала черезструю ЭРД, что также может привести к изменению поляризационных свойств сигнала и вызватьего рассогласование с приемной антенной. Известно, что интенсивность поляризационныхэффектов увеличивается с уменьшением несущей частоты [6].Искажение характеристик диаграмм направленности бортовых антеннДанныйэффектявляетсяследствиемизмененийусловийраспространенияэлектромагнитных волн в плазменной струе ЭРД. В простейшем случае (без учетафлуктуационных свойств плазменной струи) влияние струи ЭРД на параметры бортовых антеннКА можно рассматривать как результат наличия в апертуре антенны неоднородной среды снекоторым распределением диэлектрической проницаемости.

Учитывая, что показательпреломления плазменных струй ЭРД меньше 1, наличие в апертуре антенны плазменной средыэквивалентно добавлению неоднородной «ускоряющей» линзы, которая трансформируетфазовый фронт волны первичного источника. При этом следует учитывать, что в апертуруантенны может попадать и область критической концентрации электронов (для заданной рабочейчастоты антенны), которая эквивалентна металлизированному объекту сложной формы [6].Помехи, создаваемые собственным электромагнитным излучением ЭРДФункционирование ЭРД, связанное с ионизацией рабочего тела и его ускорением,сопровождается излучением электромагнитной энергии в диапазоне частот от долей килогерцадо 20 и более ГГц [8], [58], [59], [60]. Собственное излучение СПД имеет шумоподобный характери может представлять потенциальную опасность для спутниковых систем связи, имеющих51частоты приемника в L (1…2 ГГц), S (2…4 ГГц), C (4…8 ГГц) и X (8…12.5 ГГц) диапазонах, а внекоторых случаях и для более высокочастотных диапазонов: вплоть до Ku и Ka диапазонов.Проведение полномасштабных космических экспериментов по изучению излучения ЭРДсвязано со значительными техническими трудностями и большими затратами.

Одним из первыхтаких экспериментов были измерения пространственного распределения интенсивностиизлучения СПД на КА «Метеор-Природа» [61]. Однако подавляющее большинство подобныхизмерений по указанным выше причинам проводится в наземных условиях.Внаучнойлитературеприводятсядостаточномногоотдельныхсведенийобэлектромагнитном излучении ЭРД разнообразных типов, полученных разными авторами наразличных установках, как в наземных, так и летных условиях [62], [58], [63] и т.п.

Полученныеэкспериментальные данные сильно отличаются друг от друга и носят локальный характер. Этосвязано с тем, что в наземных условиях, при работе ЭРД в вакуумных камерах трудно обеспечитьтребуемую безэховость в широком диапазоне частот, которая и определяет потенциальнуюточность измерений. Кроме того, характеристики излучения сильно зависят от вариантовконструкции и режимов работы ЭРД.Характер спектра в различных участках этого диапазона во многом определяетсяразвитием специфических для каждого типа ЭРД плазменных неустойчивостей, возникающихкак в газовом разряде, так и выходной плазменной струе.

Наличие квазирегулярных колебаний иволн приводит к повышенным значениям интенсивности электромагнитных полей в отдельныхучастках спектра по сравнению с равновесным тепловым уровнем излучения [6].Результаты измерения собственного излучения различных типов ЭРД, по данным работы[9], представлены в Таблице 1.2.Для исследованных типов двигателей интенсивность шумов ЭРД удается связать судельным импульсом ЭРД, который определяется средней скоростью истечения плазмы (сростом удельного импульса интегральная интенсивность шумов возрастает).

Для заданного типаЭРД наибольшей интенсивностью излучения обладают конструкции, использующие рабочеевещество с высоким потенциалом ионизации, при этом переход с перспективного рабочеговещества - лития - на азот (аргон) сопровождается увеличением на 1,5…2 порядка интенсивностишумов. Низковольтные режимы двигателей типа ТХД и ТСД связаны с электротермическим ускорением плазмы и не приводят к заметному изменению электромагнитной обстановки вблизикосмических аппаратов [6].Спектральные характеристики излучения ЭРД Aerojet BPT-4000 для вертикальной игоризонтальной поляризаций приведены на Рисунке 1.25 [58].

Видно, что излучение ЭРДпредставляет собой широкополосный случайный процесс, спектральная плотность котороголежит в пределах от десятков Герц до десятков Гигагерц. На отдельных частотах уровень52излучения существенно превышает предельный уровень, задаваемый стандартом ЭМС MIL_STD461E. Кроме того, для некоторых диапазонов частот может наблюдаться существенноеувеличение уровня излучения ЭРД при изменении его режимов функционирования.Таблица 1.2 – Характеристики электромагнитного излучения ЭРДэлектростатическийЭРДдвигатель смагнитоплазмодинами-двигательзамкнутым дрейфомческие двигателиРабочиехарактеристикиРабочееКамераЗонаиониза-нейтрали-циизацииАзот, аргонСПДДАСТХДТСДКсенонВисмутЛитий (*)Литийвеществоазот, аргон(**)Мощность, кВтДиапазоны0,05...0,220...450,частот, МГц750,30000,1...1,020...1500,4...4,5500...71505...5020...750,2...40750,100...700750,, 9500,3000,1000...4000,3000,135004000-9500950010-9...10 -810-7...10-4Спектральнаяплотность10-7...10-510-8...10-6электромагнитного10-10...10-7(*) 10-10...10-910 -7...10-5(**)излучения,Вт/(м2МГц)Спектральные характеристики излучения ЭРД не раскрывают внутреннюю структуруизлучаемых ЭРД сигналов, которая может быть важной для анализа их влияния нахарактеристики бортовых радиоэлектронных систем.Пример результатов экспериментальных измерений временных характеристик излученияЭРД BPT-4000, полученных для мощности 4.5 кВт и напряжения разряда 400В, показан наРисунке 1.26.

На отрезке времени длительностью 400 мкс присутствует около 25 импульсов.Абсолютные значения напряженности электрического поля, пересчитанные в апертуру антенны(нижний график), находятся в пределах от 65 до 85 дБмкВ/м, причем большая часть импульсовимеет амплитуду около 75 дБмкВ/м. На Рисунке 1.26 в виде выноски показан один из короткихимпульсов этой последовательности в большем масштабе. Видно, что наблюдаемые импульсыимеют длительность по уровню 0,5 от максимума в диапазоне от 0.5 до 5 мкс.53Такимизлучениеобразом,ЭРДпредставляетсобственноеврадиодиапазонесобойшумоподобныйсигнал, который, кроме тепловой шумовойкомпоненты, может иметь импульснуюкомпоненту со сложными спектральновременными характеристиками.