СПОСОБ ВОЗМУЩЕНИЯ ИОНОСФЕРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01V3/08 G01W1/08 

Изобретение относится к области геофизики, преимущественно аэрономии, и может быть использовано при исследовании ионосферы в активных экспериментах, в которых по отклику среды на воздействие источника возмущения с известными параметрами определяются ее свойства.

Естественным способом возмущение ионосферы происходит при воздействии импульсов УФ-излучения солнечных вспышек [1,2]. До начала активных экспериментов проводимые при вспышках исследования давали единственную информацию о свойствах возмущенной ионосферы.

Из-за неопределенности параметров источника естественной ионизации исследования процессов в ионосфере часто дают различные и противоречащие друг другу результаты.

Известны способы возмущения ионосферы с помощью взрывов мощных химических взрывчатых веществ [ВВ] [3], которые дают полезную информацию о геофизических процессах в возмущенной ионосфере. Однако продукты взрыва не светятся собственным светом при взрыве на больших высотах. Их подсветка осуществляется лучами заходящего или восходящего солнца. Это не позволяет исследовать релаксационные процессы, вызванные возмущением ионосферы.

Прототипом изобретения по способу и устройству является возмущение ионосферы и создание в ней области искусственной ионизации путем взрывной инжекции кумулятивными зарядами ВВ плазмообразующих веществ с низким потенциалом ионизации, например, бария, которые ионизируются УФ-излучением солнца. Такой способ широко используется в активных геофизических экспериментах и дает обширную информацию по свойствам возмущенной ионосферы и физике космической плазмы [4].

Недостатки прототипа связаны с тем, что эксперименты необходимо проводить при облучении плазмообразующего вещества солнцем и соответственно при высоком уровне создаваемых им помех. Из-за высокого времени ионизации солнцем (~ 10 с) не удается исследовать более короткие процессы в ионосфере. Для регистрации наземными измерительными комплексами необходимы размеры ионизированных областей около 1 км, для создания которых инжектируют десятки кг плазмообразующего вещества. При этом состав плазмы значительно отличается от естественного, что не позволяет исследовать процессы фотохимии и релаксации ионосферы, ухудшает в ней экологическую обстановку.

Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей прототипа на высотах свыше 120 км за счет импульсного возмущения ионосферы и создания в ней больших ионизированных и светящихся в ночном небе областей с малым содержанием примесей плазмообразующих веществ.

Указанная цель достигается тем, что в ионосферу выпускают систему высокоскоростных струй паров плазмообразующего вещества с атомным весом, близким к молекулярному весу воздуха. Параметры каждой струи выбирают из соотношений

где E₀ - энергия вещества струи; m₀ - масса вещества струи;
μ - атомный вес вещества струи;
l - средний свободный пробег молекул воздуха;
ρ_a - плотность воздуха; I - потенциал ионизации воздуха;
N_a - число Авогадро.

Высокоскоростные струи инжектируют таким образом, чтобы образующиеся ионизированные области от каждой струи не перекрывались.

В качестве плазмообразующего вещества может использоваться алюминий.

Такой способ может быть осуществлен устройством новой конструкции, содержащим заряды ВВ и средства их инициирования, заряды выполнены с центральной кумулятивной выемкой, облицованной плазмообразующим веществом.

Отличие устройства, позволяющее осуществить новый способ, состоит в том, что в каждом заряде кумулятивная выемка выполнена цилиндрической формы и заполнена высокопористым плазмообразующим веществом, в виде тонкостенных трубок, расположенных параллельно продольной оси выемки, среднюю плотность плазмообразующего вещества в кумулятивной выемке выбирают из соотношения
ρ₀₀ ≤ 2/Q,
где ρ₀₀ - плотность плазмообразующего вещества, г/см³.

Q - теплота испарения плазмообразующего вещества, кДж/г;
Поскольку перечисленные выше аналоги и прототип не содержат признаков, сходных с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, и не известны технические решения, в которых эти признаки используются по данному назначению, то заявленное техническое решение обладает существенными отличиями.

Выпуск системы струй с выбранными параметрами в ионосферу обеспечивает активное импульсное воздействие на нее и создание одной или нескольких (по числу кумулятивных зарядов) неперекрывающихся областей ионизированного воздуха на большом расстоянии от точки инжекции, превышающем радиус торможения продуктов взрыва.

Применение струи паров вещества с атомным весом, близким к молекулярному весу воздуха (например, алюминия), обеспечивает быстрое установление термодинамического равновесия между атомами струи и захваченным ею воздухом в процессе торможения и соответственно высокие температуры атомов и электронов, достаточные при неполном термодинамическом равновесии для эффективной ионизации и возбуждения воздуха, окружающего области торможения струй.

Приведенные соотношения между параметрами струй и ионосферы обеспечивают оптимальную передачу начальной энергии струй во внутреннюю энергию газа в областях их торможения и соответственно максимальное воздействие на ионосферу.

Выполнение кумулятивных выемок зарядов ВВ цилиндрической формы и заполнение ее пористым веществом при выбранном соотношении между его плотностью и теплотой испарения обеспечивают его эффективное испарение взрывом стандартных мощных химических ВВ, а также повышает КПД преобразования энергии взрыва в энергию струи по сравнению с прототипом, где из плазмообразующего вещества изготовлена лишь облицовка конусной кумулятивной выемки заряда.

Все отличительные признаки способствуют расширению функциональных возможностей способа за счет кратковременного возмущения ионосферы и создания в ней больших ионизированных областей, не перекрывающихся продуктами взрыва на высотах свыше 120 км, а также возбуждения разнообразных ионосферных эффектов, требующих мощного импульсного воздействия.

Изобретение будет понятно из следующего описания приложенной схемы устройства и реализации способа (фиг.1).

Устройство содержит размещенные на платформе 1 кумулятивные заряды ВВ 2 и электронный блок их подрыва 3. Кумулятивные заряды имеют корпус 4, детонатор 5, взрывчатое вещество 6, пористое плазмообразующее вещество 7, размещенное в цилиндрической выемке с облицованными тем же сплошным веществом стенками 8 и выходную трубку 9.

Предложенный способ реализуется с помощью устройства следующим образом.

Платформа 1 с размещенными на ней кумулятивными зарядами ВВ 2 и блоком подрыва 3 доставляется на заданную высоту геофизической ракетой. При подаче на блок подрыва 3 команды запуска детонаторами 5 возбуждается взрыв зарядов ВВ 6, которые испаряют плазмообразующее вещество 7 в кумулятивной выемке 8 каждого заряда 2 и выталкивают его с высокой скоростью через трубки 9 в виде сгустков конечных размеров 10 на большое расстояние от платформы 1. Сгустки 10 расширяются со скоростью, определяемой их внутренней энергией, которая в начале составляет около 20% от кинетической и быстро убывает при расширении. Когда плотность в сгустках становится сравнимой с плотностью окружающего воздуха, он захватывается сгустком. В результате газокинетических столкновений кинетическая энергия направленного движения переходит во внутреннюю энергию заторможенных паров и захваченного ими воздуха при очень высокой температуре тяжелых частиц. Горячие области 11 торможения сгустков, воздействуя на ионосферу тормозным УФ- излучением, и в результате амбиполярной диффузии [5] образуют в ней светящиеся ионизированные области 12 с размерами, намного превышающими области торможения 11.

Применение высокопористого вещества 7 необходимо для его испарения взрывом ВВ. Внутренняя энергия E вещества и его скорость U в ударной волне возрастают с уменьшением его начальной плотности ρ₀₀. Для использованного ВВ E = U²/2 = 4/ρ_00, где ρ₀₀ в г/см³, E в кДж/г. В высокопористом веществе энергия не тратится на его сжатие и вся переходит в тепло. Поэтому критерий его испарения E ≥ 2Q ниже, чем для сплошного вещества E ≥ 5Q [5]. Откуда следует выбранное ограничение на плотность вещества ρ₀₀ ≤ 2/Q.
Выполнение пористого вещества 7 в виде тонкостенных трубок, расположенных параллельно продольной оси цилиндрической кумулятивной выемки, повышает скорость истечения струи и долю ее кинетической энергии. Увеличение длины выходной трубки 9 позволяет уменьшать долю внутренней энергии струи, ее диаметр и соответственно увеличивать ее кинетическую энергию и таким образом регулировать длину полета сгустка 10 до его торможения. Сопротивление его движению ρ_aU²S мало из-за низкой плотности ионосферы и он движется с практически постоянной скоростью, пока его сечение S = πR² не станет достаточно большим. При R ≥ 0,1l свободномолекулярный режим обтекания сгустка переходит в режим, в котором существены столкновения тяжелых частиц. Сгусток захватывает окружающий воздух и тормозится, а его кинетическая энергия переходит во внутреннюю энергию газа в заторможенной области 11. Дальнейшее ее расширение происходит из-за диффузии. Масса захваченного воздуха к моменту торможения m_B = 0.44 m₀ [6]. При выполнении условий m₀ ≤ 10 l3a

ρ_a радиус заторможенной области R = (3m_в/4πρ_a)^1/3 ≤ l_a и ударная волна вокруг нее не образует и не уносит энергию сгустка [7]. При этом практически вся кинетическая энергия струи идет на нагрев газа в заторможенной области 11, которая является источником возмущения ионосферы.

Из-за низкой плотности заторможенного газа установление в нем термодинамического равновесия занимает длительное время. Сначала устанавливается равновесная температура тяжелых частиц, в среднем превышающая 100 кК, потом в столкновениях с ними нагреваются электроны (их начальная концентрация близка к ионосферной), Когда их энергия превысит потенциал ионизации плазмообразующего вещества, начинается их лавинное размножение, и температура газа падает до равновесной за время ионизационной релаксации [5] из-за больших затрат энергии на ионизацию.

Выполнение условий E₀/m₀ ≥ 1,5/N_a/μ = 80 кДж/г, для алюминиевой струи обеспечивает в ней температуру электронов, достаточную для эффективной ионизации воздуха при оптимальном КПД устройства.

При сильном увеличении E₀/m₀ КПД убывает. Условие для E₀/m₀ получено из равенства кинетической температуры газа в заторможенной области потенциалу ионизации 1 воздуха. При выполнении этих условий практически вся кинетическая энергия струи идет на нагрев газа в заторможенной области, которая является источником возмущения ионосферы. Выполнение инжекции каждой струи в таком направлении, чтобы образующиеся ионизованные области не перекрывались, обеспечивает выполнение оптимальных условий воздействия для всей системы.

Примеры реализации способа с одним модулем нового устройства, полученные в 3 активных экспериментах с геофизическими ракетами МР-12 на высотах около 150 км в ночное время, приведены в таблице (см. в конце описания).

При инжекции струи наблюдалась яркая вспышка. Фотографии ИСО в различные моменты времени, эксперимент N 1, приведены на фиг. 2. ИСО наблюдалось свыше 100 с. Радиолокационные измерения зарегистрировали повышение средней концентрации электронов до 2 • 10⁷ и 5 • 10⁸ см^-3 на диаметре около 1 и 2,5 км соответственно, при фоновых значениях 10⁴ см^-3. На фиг.3 показаны изменения во времени продольных (1) и поперечных (2) размеров светящегося образования (съемка с самолета) и диаметра (3) слабого свечения (съемка с земли) в эксперименте N 1; оценки радиуса ударной волны (4) и продуктов взрыва (5). Центр ИСО смещен на расстояние около 1,5 км от точки инжекции, что примерно в 3 раза больше максимального радиуса расширения продуктов взрыва ВВ.

Бортовым измерительным комплексом зарегистрировано увеличение потока мягких электронов с энергией 0,3 - 3 кэВ в 2-16 раз по сравнению с фоном в области размером до 10 км из-за генерации электрических полей в ионосфере. Их измеренные значения в 20-100 раз превышали фоновые. В области размером до 5 км регистрировалось повышение в 2-8 раз потоков электронов с энергией свыше 40 кэВ из-за их высыпания из внешнего радиационного пояса.

Измеренные радиусы ИСО в опытах 1, 2 и 3 до начала диффузионной стадии соответственно в 25, 22 и 8,3 раз больше расчетного радиуса области заторможенной струи, а массы возмущенного воздуха в нем в 6400, 4000 и 236 раз больше массы струи. Меньшая эффективность воздействия во 2 и 3 опытах связана с тем, что в них не достигались выбранные критерии для E₀/m₀ и m₀. При высотах ниже 120 км эффективная масса струи мала и рассмотренный способ образования ИСО не реализуется.

Преимущества нового способа позволяют получить ИСО объемом 3 и 20 км³ до начала диффузионного расширения в опытах с одним кумулятивным зарядом (модулем) с массой струи 1.1 и 11 г соответственно, а при выпуске бария для этого необходимо соответственно 18 и 120 кг. Полученные ИСО светятся в ночном небе и содержат практически чистый воздух, что позволяет исследовать в нем релаксационные процессы при отсутствии помех, создаваемых солнцем. Кратковременность воздействия на 2-3 порядка меньшая, чем в опытах с барием, что также повышает его точность.

При грузоподъемности ракеты МР-12 150 кг при подъеме на высоту 150 км на ней можно разместить 10 зарядов с массой струи 1,1 г каждый и штатный бортовой измерительный комплекс или без него 10 зарядов с массой струи 11 г каждый. Электронный блок подрыва, снабженный системами предохранения, весит 14 кг. Он был испытан при подъемах на аэростате до высоты 35 км и обеспечивал подрыв 10 быстродействующих электродетонаторов с разновременностью меньшей 10^-8 с. В ракетных экспериментах использовался блок подрыва массой 1,3 кг с огнепроводным шнуром, который поджигался на борту ракеты в момент отделения заряда. Подрыв происходит на заданном расстоянии заряда от ракеты (30 -100 м).

Применение разработанного способа и устройства позволяет исследовать в условиях импульсного воздействия с известными параметрами процессы ионизации и возбуждения ионосферы, ее релаксацию, возмущения электрических и магнитных полей, образование локальных токовых систем, воздействие на радиационные пояса, диффузию плазменного образования на поздней стадии, скорость ветра на больших высотах и т.д.

Использование: в геофизике, в частности в аэрономии. Сущность изобретения: способ возмущения ионосферы заключается в инжекции в ионосферу системы неперекрывающихся высокоскоростных струй паров плазмообразующего вещества, атомный вес которого близок к молекулярному весу воздуха. Параметры струй удовлетворяют соотношениям
E_o/m_o ≳ 80 кДж/г, m₀ ≤ 10l3a

ρ_a,
где E_o, m_o - энергия и масса струи; l_a - средний свободный пробег молекул воздуха; ρ_a - плотность воздуха. Устройство содержит заряды ВВ и средства их инициирования. В каждом заряде выполнена центральная кумулятивная выемка цилиндрической формы, облицованная плазмообразующим материалом. Выемка заполнена тонкостенными трубками из того же плазмообразующего вещества, но имеющего высокопористую структуру. Средняя плотность плазмообразующего вещества в выемке удовлетворяет соотношению
ρ₀₀ ≲ 2Q,
где ρ₀₀ - плотность плазмообразующего вещества (г/см³); Q - теплота испарения плазмообразующего вещества (кДж/г). 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ возмущения ионосферы путем взрывной инжекции плазмообразующих веществ, отличающийся тем, что в ионосферу инжектируют систему высокоскоростных струй паров плазмообразующего вещества с атомным весом, близким к молекулярному весу воздуха, при этом параметры каждой струи выбирают из соотношений
E_o/m_o ≥ 80 кДж,
m₀≲ 10l3a

ρ_a,
где E_o - энергия струи;
m_o - масса струи;
l_a - средний свободный пробег молекул воздуха;
ρ_a - плотность воздуха. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что высокоскоростные струи инжектируют таким образом, чтобы образующиеся ионизованные области от каждой струи не перекрывались. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующего вещества используют алюминий. 4. Устройство для возмущения ионосферы, содержащее заряды взрывчатых веществ и средства их инициирования, заряды выполнены с центральной кумулятивной выемкой, облицованной плазмообразующим веществом, отличающееся тем, что в каждом заряде кумулятивная выемка выполнена цилиндрической формы и заполнена плазмообразующим высокопористым веществом в виде тонкостенных трубок, расположенных параллельно продольной оси выемки, причем средняя плотность плазмообразующего вещества в кумулятивной выемке удовлетворяет соотношению
ρ₀₀ = 2Q,
где ρ₀₀ - плотность плазмообразующего вещества, г/см³;
Q - теплота испарения плазмообразующего вещества, кДж/г.