Повышение эффективности функционирования бортовых радиотехнических систем связи спускаемых космических аппаратов

Актуальность темы

диссертации. В настоящее время задача обеспечения устойчивой радиосвязи со спускаемыми космическими аппаратами стоит весьма остро. В обозримом будущем эта ситуация никак не ослабнет, а наоборотстанет ещё более ощутимой в связи с тем, что требования к эффективности работы бортовых радиосистем связи возрастают, а условия эксплуатации системы бортовая антеннаеё теплозащитаплазма становятся все более жесткими. Вследствие этого суммарная мощность потерь электромагнитной энергии и радиошумовое излучение практически полностью определяющие уменьшение энергетического потенциала радиоканала связи в целом, существенно возрастают и предопределяют потерю радиосвязи на траектории спуска.

Поэтому актуальность темы работы и состоит в том, чтобы способами и радиотехническими средствами разрешить задачу обеспечения устойчивой радиосвязи со спускаемыми космическими аппаратами и как результат этого-максимально повысить эффективность функционирования и применения бортовых радиотехнических систем связи. Именно этим и определяется актуальность темы диссертации и её фактическое содержание. Необходимо отметить, что большой вклад в решении отмеченной проблемы внесли научные труды Брагина И. В. и Красюка В.Н.

Цель работы. Повысить эффективность функционирования бортовых радиотехнических систем связи на основе разработки и реализации новых способов и радиотехнических средств, снижающих в условиях аэродинамического нагрева потери электромагнитной энергии в канале связи борт КАЗемля.

Для достижения указанной цели представляется необходимым решить следующие задачи:

1. Разработка оценки энергетического потенциала радиоканала связи борт возвращаемого космического аппаратаЗемля на основании разработки математических моделей бортовых антенн с теплозащитой, программного 7 обеспечения их расчета и результатов численных расчетов.

2. Анализ способов повышения эффективности функционирования бортовых радиотехнических систем связи.

3. Исследование бортовых антенн с теплозащитой с улучшенными характеристиками в условия высокотемпературного аэродинамического нагрева.

Научная новизна работы.

1. Для технической электродинамики и теории СВЧ антеннразработаны и исследованы новые математические модели, адекватно описывающие физические процессы и формирование собственных характеристик излучения слабонаправленных СВЧ излучателейбортовых антенн с разогретой теплозащитой и расплавом материала на теплозащите.

2. Для теории и практики СВЧ антеннразработаны новые методики и принципы исследования бортовых антенн с теплозащитой, оригинальные конструкции которых обладают пониженной чувствительностью своей радиопрозрачности к воздействию высокотемпературного аэродинамического нагрева.

3. Для теории радиосвязиразработаны методики анализа энергетического потенциала каналов радиосвязи и эффективности функционирования бортовых радиотехнических систем связи.

4. Для вычислительной техникиразработан комплекс программного обеспечения, позволяющий обрабатывать математические модели и оценивать поведение различных комбинаций материалов диэлектрика и излучающего волновода, частоты СВЧизлучения и температурного режима.

Практическая значимость работы.

1. Исследованы типы бортовых антенн с теплозащитой, обладающие улучшенными характеристиками излучения в условиях высокотемпературного нагрева даже при расплаве теплозащиты.

2. Получены новые данные об электрофизических свойствах термостойких радиопрозрачных диэлектриков в области высоких температур.

3. Решена задача повышения эффективности функционирования бортовых 8 радиотехнических систем связи (уменьшение времени перерыва радиосвязи) в условиях высокотемпературного аэродинамического нагрева. 4. Программное обеспечение, разработанное в процессе выполнения диссертационной работы, используется в ГУАП в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Средства связи с подвижными объектами» и магистров по направлению «Телекоммуникации». На защиту выносятся следующие положения.

1. Математические модели бортовых антенн с теплозащитой возвращаемых космических аппаратов, учитывающие высокотемпературный аэродинамический нагрев теплозащиты.

2. Анализ способов уменьшения влияния плазмы, окружающей бортовую антенну, на эффективность функционирования канала связи борт КА-земля.

3. Анализ способов радиопросветления АО для условий аэродинамического нагрева, обеспечивающих уменьшение потерь в нагретом АО.

4. Результаты исследования различных типов бортовых антенн с теплозащитой в условиях высокотемпературного аэродинамического нагрева, показывающие, что разработанные теоретические рекомендации и их реализация обеспечивают снижение потерь на 20 дБ и тем самым повышение эффективности функционирования бортовых радиотехнических систем связи.

Достоверность результатов. Все теоретические результаты, защищаемые научные положения и рекомендации диссертационной работы получены на основе применения фундаментальных наук: высшей математики, теории электромагнитного поля, теории антенн, метрологии, специальных разделов материаловедения и отдельных разделов радиофизики.

Все теоретические результаты подтверждены численными расчетами на ЭВМ и экспериментами, проведенными при корректном использовании современных методов измерения характеристик антенн и электрофизических характеристик теплозащитных материаловдостаточным количеством испытанных антенн и материалов, высокой степенью воспроизводимости 9 результатов, их соответствием фундаментальным представлениям.

Личный вклад автора определяется участием в постановке задачи исследования и в решении поставленных задач с использованием разработанного математического аппарата и созданного программного обеспечения. Он также состоит в участии в экспериментальных исследованиях, в обработке, обобщении и анализе полученных результатов. Все приведенные в работе результаты получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Апробация работы.

Результаты диссертационной работы были представлены на следующих научных семинарах:

1. Научная сессия ГУАП. 7−14 апреля 2008, Санкт-Петербург. 2 доклада.

2. Научная сессия ГУАП. Апрель 2009, Санкт-Петербург.

3. Научные семинары кафедры «Телекоммуникаций» ГУАП. Октябрь 2008;октябрь 2010, Санкт-Петербург. 6 докладов.

Публикации. Опубликовано 5 печатных работ. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы из 76 наименований и 4 приложений на 17 страницах. Работа выполнена на 121 странице текста, содержит 39 рисунков и 5 таблиц.

4.6 Выводы по разделу.

1. Разработана теория и методика экспериментального определения основных характеристик АО при высокотемпературном нагреве.

2. Выполнены многочисленные экспериментальные исследования характеристик АО и ТЗМ, результаты которых подтвердили правильность предложенных способов повышения эффективности функционирования бортовых РТС и сам факт повышения эффективности функционирования.

Главный результат разделадоказано повышение эффективности функционирования бортовых РТС путем реализации способа радиопросветления АО на основе разработки и применения новых типов бортовых антенн с улучшенными характеристиками, а также путем применения новых видов ТЗМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей диссертации решалась задача повышения эффективности функционирования бортовых РТС связи, антенны которых, закрытые радиопрозрачной теплозащитой, на траектории спуска космического аппарата в плотных слоях атмосферы испытывают высокотемпературный разогрев теплозащиты и воздействие плазмы.

Эти эксплуатационные условия на траектории спуска приводят в области бортовая антеннаее разогретая теплозащита (часто и с расплавом материала на наружной поверхности) — экранирующая плазма к значительным потерям электромагнитной энергии рабочего диапазона радиоволн бортовых РТС.

Поэтому в диссертации решалась задача разработки и исследования способов, обеспечивающих для условий спуска КА определение энергетической ситуации (потери электромагнитной энергии) в области бортовая антенна, ее теплозащита, экранирующая плазма с тем, чтобы дать ответ на два очень важных вопроса:

— во-первых, по каким причинам и на сколько возрастают потери электромагнитной энергии в радиоканале борт-земля и как в результате этого падает эффективность функционирования бортовых РТС;

— во-вторых, по результатам анализа состояния энергетики канала радиосвязи определить какие технические решения, конструктивные и технологические меры способны существенно снизить суммарные потери в канале радиосвязи и тем самым при их реализации обеспечить требуемую эффективность функционирования бортовых РТС.

Поставленная задача диссертации достигалась в два этапа: -в начале на основании разработанных математических моделей и программ расчета определялось энергетическое состояние и потери в объеме бортовая антеннаее теплозащитаэкранирующая плазма;

— затем на основании массива данных о результатах исследования бортовых антенн, теплозащиты и плазмы разрабатывались способы и конструктивные решения, которые гарантировали бы снижение суммарных потерь электромагнитной энергии на рабочих частотах бортовых РТС и тем самым максимально поднять эффективность их функционирования.

Можно утверждать, что поставленная задача решена и сформулированная в начале работы цель достигнута. При этом в работе получены принципиально новые научные и практические результаты. В кратких формулировках основные результаты работы сводятся к следующему.

•Предложен, разработан, исследован и реализован аналитический метод оценки эффективности функционирования бортовых РТС, в основе которого лежат математические модели, программы и чисто расчетные процедуры определения для конкретных условий спуска КА потерь в объеме бортовая антеннаее теплозащитаэкранирующая плазма.

•Предложен, исследован и реализован способ радиопросветления антенных окон для условий высокотемпературного аэродинамического нагрева.

•Предложены, исследованы и реализованы конструкции новых бортовых антенн с характеристиками, мало чувствительными к воздействию аэродинамического нагрева.

В результате комплексного использования всех возможностей, разработанных в работе, а именно применения АО с повышенным значением КПД, использования теплозащитных материалов с улучшенными характеристиками стало возможным повышение эффективности функционирования бортовых радиотехнических систем связи возвращаемых космических аппаратов.