Ryska fysiker löser radiosläckningsproblem för att återinträda i rymdfarkoster

När rymdfarkoster återvänder till jorden är en av de mest spända delarna av uppdraget radiosläckningen som uppstår när fordonet går in i atmosfären igen. Rymdfarkosten färdas med hypersoniska hastigheter mellan 8 och 15 Mach och värmer upp och bryter ner molekyler i atmosfären vilket gör att plasma bildas. Det är detta plasmahölje som förhindrar radiokommunikation.

För bemannade rymdfarkoster som återkommer från omloppsbanan varar radion i ett par minuter, vilket skapar svettiga handflator för alla berörda.

Under åren har många grupper studerat olika sätt kring detta problem. En idé är att använda lågfrekventa signaler som inte blockeras av plasman. Dessa ger dock endast låga datahastigheter.

En annan är att forma farkosten så att plasman inte bildas i vissa områden där en radioantenn kan placeras. Men detta innebär att hela fordonet måste utformas kring kommunikationssystemet, som sedan inte kan ändras.

Ännu en idé är att placera radioantennen i nässpetsen så att den sticker ut utanför plasman. Detta möjliggör radiokommunikation tills antennen slits ut på grund av ablation.

Ingen av dessa lösningar är idealisk. Men idag avslöjar Aleksandr Korotkevich vid Landau-institutet för teoretisk fysik i Moskva och några kompisar ett nytt sätt att komma runt detta problem.

Deras idé är att använda egenskaperna hos själva plasmat för att påverka överföringen på samma sätt som en judoexpert använder styrkan och rörelsen hos en motståndare för att besegra honom. Detta verkar vara ett enkelt och elegant tillvägagångssätt.

Först lite bakgrund. Plasma absorberar elektromagnetiska vågor nära en speciell resonansfrekvens som kallas plasmafrekvensen, som beror på plasmans egenskaper som dess densitet.

Korotkevich och co påpekar att varje inkommande signal nära denna frekvens både reflekteras och absorberas av plasman. Den reflekterade signalen går förlorad men den absorberade energin skapar ett resonerande elektriskt fält på ett visst djup med plasman.

Det är en avgörande punkt. I själva verket fungerar detta skikt i plasman som en radioantenn som tar emot signalen. Signalen kan dock inte resa vidare genom plasman till rymdfarkosten.

Den nya idén är att zappa detta lager med radiovågor som genereras inifrån rymdfarkosten. Dessa vågor kommer både att absorberas av plasman och reflekteras tillbaka inuti rymdfarkosten. Men nyckelpunkten är att de reflekterade vågorna borde moduleras av alla förändringar i det elektriska fältet i plasman.

Med andra ord bör de reflekterade vågorna bära ett slags avtryck av den ursprungliga externa radiosignalen. Det skulle tillåta markkontroll att kommunicera med sina astronauter.

Korotkevich och kompisar säger att samma idé kan användas omvänt för att överföra signaler. I det här fallet spränger du helt enkelt plasmahöljet inifrån rymdfarkosten med den signal de vill sända. Detta överför sändningssignalen till plasmans interna elektriska fält, som sedan utstrålar en mycket svagare signal till atmosfären.

Korotkevich och co säger att överföringssignalens svaghet inte spelar någon roll eftersom markbaserade mottagare kan göras enormt känsliga, säkert mycket mer än mobila.

Det är en smart idé. I själva verket förvandlar de plasmahöljet till en gigantisk antenn som både tar emot och sänder meddelanden. Och de säger att det kan uppnås med vanliga sändare som finns mer eller mindre från hyllan idag.

Det finns några varningar såklart. Om studien de publicerar idag är intressant betraktar den bara ett idealiserat fall och många extra detaljer kommer att behöva beaktas för att få en prototyp att fungera.

En fråga är till exempel om radiosignalerna kommer att förändra plasmans aerodynamiska beteende, vilket skapar instabiliteter som kan äventyra farkosten.

Korotkevich och co säger inte, eftersom radiosignalerna varierar mycket snabbare än någon plasmainstabilitet. I själva verket kan plasmat ses som fruset vid radiofrekvenser, säger de.

Detta utesluter dock inte olinjära effekter som kan tillåta små instabiliteter att växa snabbt. Det är något som måste undersökas mer i detalj.

Naturligtvis kommer det stora intresset sannolikt från militären. Även om radioavbrottet är lite mer än irriterande för mänskliga uppdrag, är det en allvarlig begränsning för militära farkoster som ballistiska missiler eller hypersoniska flygplan. Radiosläckning hindrar dessa fordon från att komma åt GPS-signaler för navigering och tillåter inte att de riktas om eller avväpnas i sista minuten.

Om Korotkevich och co har hittat ett praktiskt sätt att lösa detta problem, kommer deras idéer sannolikt att vara enormt värdefulla på vissa håll.

Ref: arxiv.org/abs/0704.3103 : Kommunikation genom plasmahöljen

Dölj