Radio Transparency of Ionized Shell, which Forming Around Hypersonic Objects in Mesosphere

• Published in: Bulletin of the South Ural State University. Ser. Computer Technologies, Automatic Control & Radioelectronics
• Main Authors: Тамбовцев, Владимир Иванович, Шевяков, Игорь Андреевич, Литвинов, Артем Александрович
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: Russian
• Published: South Ural State University 2015
• Subjects: radio transparency; mesosphere; hypersonic speed; shock wave; ionized gas; plasma; skin layer; hypersonic object; радиопрозрачность; мезосфера; ударная волна; ионизованный газ; плазма; скин-слой; гиперзвуковой объект; Buran; Sakha; Саха
• Online Access: https://vestnik.susu.ru/ctcr/article/view/4220; https://doi.org/10.14529/ctcr150317

This article discusses the basic properties of ionized gas shell formed around objects moving in the mesosphere at hypersonic speeds to determine the frequency band for the radio communication.Ionization occurs due to the energy of the shock wave. The thickness of the transition layer is defined between molecular distances. Limiting compression due to the Hugonio adiabat and depends on the number of degrees of freedom – for diatomic gas is equal to 6. The energy which remained when braking goes for heating of gas in a shock wave and, agrees Sakha, to ionization. Temperature field of the shell taking into account the heat transfer coefficient is much higher surface temperature of the object. Near the bow, which overheating, for example, Buran reaches 1400 °C, the gas temperature exceeds 10 000 °С – this is at a height 63 km and at a speed of 17 Machs.The shell is three-component gas. There are atoms (molecules), ions and electrons with a low degree of ionization. The main features are the frequency of collisions of electrons with atoms and the plasma frequency. If the plasma frequency exceeds the frequency of collisions, the medium is a gas plasma. If the frequency of collisions exceeds value of plasma frequency, gas doesn't reach a plasma status. The plasma frequency is critical: above the critical frequency gas plasma is dominated by the dielectric properties, and to the critical frequency – dominated conductive properties.Plasma sheath radio transparency if the value of the skin layer to the body exceeds the normal thickness of the shell. Calculations and model tests show that the transparency of the radio channel is provided in the centimeter range, where f > 9 GHz. Рассматриваются основные свойства ионизированной газовой оболочки, образующейся вокруг объектов, движущихся в мезосфере с гиперзвуковой скоростью с целью определения частотного диапазона для радиосвязи.Ионизация осуществляется за счёт энергии ударной волны. Толщина переходного слоя определяется межмолекулярными расстояниями. Предельное сжатие связано с адиабатой Гюгоньо и зависит от количества степеней свободы – для двухатомного газа равно 6. Оставшаяся при торможении энергия идёт на нагрев газа в ударной волне и, согласно Саха, на ионизацию. Температурное поле оболочки с учётом коэффициента теплопереноса на порядок выше температуры поверхности объекта. Вблизи носовой части, перегрев которой, например, для Бурана достигает 1400 °С, температура газа превышает 10 000 °С – это на высоте 63 км при скорости 17 махов.В оболочке находится ионизованный газ – трёхкомпонентная среда атомов (молекул), ионов и электронов с малой степенью ионизации. Основными характеристиками являются частота столкновений электронов с атомами и плазменная частота. Если плазменная частота превышает частоту столкновений, то среда является газовой плазмой. Если частота столкновений превышает значение плазменной частоты, то газ не достигает плазменного состояния. Плазменная частота является критической: выше критической частоты в газовая плазме преобладают диэлектрические свойства, а до критической частоты – преобладают проводящие свойства.Плазменная оболочка радиопрозрачна, если значение скин-слоя превышает нормальную к корпусу толщину оболочки. Расчёты и модельные испытания показывают, что прозрачность радиоканала обеспечивается в сантиметровом диапазоне, где f > 9 ГГц.