Способ определения затухания переменного электромагнитного поля в космическом пространстве

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения электрических параметров космического пространства. Способ заключается в том, что размещают в космическом пространстве зонд, представляющий собой плоский открытый конденсатор, затененный от солнечной радиации непрозрачным экраном, на который подают высокочастотные сигналы фиксированной частоты. При этом получают измерительную информацию от зонда в виде тангенса угла потерь и диэлектрической проницаемости исследуемой среды, позволяющих определить коэффициент погонного затухания космического пространства. Технический результат заключается в возможности определения коэффициента погонного затухания космического пространства. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения электрических параметров космического пространства.

Успехи в области освоения космоса привели к появлению искусственных спутников Земли, в том числе обитаемых, решающих задачи исследования как Земли, так и космического пространства радиотехническими методами. На повестку дня выходят проекты посещения людьми ближайших планет и посылки космических аппаратов за пределы солнечной системы. С этими аппаратами должна будет поддерживаться связь. Поскольку предполагаемые дальности связи могут достигать миллионов километров и более, возникает вопрос о затухании высокочастотного электромагнитного поля в космическом пространстве.

Амплитуды напряженностей электрической и магнитной составляющих в плоской волне электромагнитного поля в среде с потерями описываются следующими формулами (В.В.Никольский, Т.Н.Никольская. Электродинамика и распространение радиоволн. M.:URSS, 2012):

$$E=x_{0}A\cdot e^{-az}\cos \left(\omega t-\beta z+\varphi \right)$$

$$H=y_0\frac{A}{\left|W\right|}\cdot e^{-az}\cos \left(\omega t-\beta z+\varphi -{\varphi }_w\right)$$

где х₀, у₀ - единичные орты осей X и У;

А - векторный потенциал;

|W|- модуль волнового сопротивления среды;

$$\alpha =\frac{\omega \sqrt{{\epsilon }^{\text{'}}{\mu }^{\text{'}}}}{c}\cdot \frac{tg\Delta }{2}$$ - погонное затухание (вещественная часть постоянной распространения γ=α+iβ);

z - расстояние распространения волны вдоль оси Z;

ω - круговая частота;

ε', µ' - вещественные части электрической и магнитной проницаемостей среды распространения при комплексном представлении ε, µ; c - скорость света;

t- время;

φ - начальная фаза волны при t и z, равных нулю;

φ_w - фаза волнового сопротивления.

Как видно из представленных выше формул, амплитуды электрической и магнитной напряженностей поля зависят от экспоненциальных коэффициентов е^-az, величина которых определяется дальностью z и величиной погонного затухания α.

Величина коэффициента α определяется следующим соотношением:

$$\alpha =\frac{\omega }{c}\cdot \frac{\sqrt{{\epsilon }^{\text{'}}{\mu }^{\text{'}}\cdot }tg\Delta }{2},$$

где ε' µ' - произведение вещественных частей комплексных величин электрической и магнитной проницаемости среды распространения,

$$tg\Delta =\frac{\sigma }{\omega {\epsilon }_0\epsilon }$$ - тангенс угла потерь, зависящий от частоты, электропроводности среды σ и ее абсолютной и относительной электрической проницаемости среды ε₀ и ε соответственно.

Отсюда следует вывод: если среда распространения обладает проводимостью и σ≠0, то амплитуды Е и Н поля будут убывать по экспоненциальному закону с увеличением расстояния z от источника излучения. Это хорошо изученное и подтвержденное практикой явление затухания переменного электромагнитного поля в проводящих средах. До настоящего времени затуханием переменных электромагнитных полей в космическом пространстве пренебрегали ввиду очевидно пренебрежимо малых значений этого затухания при решении практических задач. Однако, нельзя пренебрегать тем фактом, что наблюдаемую часть Вселенной заполняет реликтовое излучение, интенсивный спектр которого соответствует температуре 2,7 К (БСЭ, 1969-1978). Этот факт подтверждает справедливость третьего закона термодинамики, из которого вытекает вывод о невозможности осуществления такого процесса, в результате которого тело охладилось бы до температуры Т=0 К (принцип недостижимости абсолютного 0 температуры, Б.М.Яворский и А.А.Детлаф. Справочник по физике. М.: Наука, 1965). Реликтовое излучение связано с наличием в космосе атомов водорода и ионизацией их космическими лучами различной природы происхождения и интенсивности. Таким образом, можно утверждать, что в космосе имеются свободные электрические заряды, обуславливающие неравенство нулю проводимости σ. Следствием этого является неравенство нулю тангенса потерь и коэффициента погонного затухания α.

Известны способы и устройства измерения электрических характеристик различных сред Патент РФ №2132550 от 27.06.1999, «Способ определения электропроводности и устройство для его осуществления», Патент РФ №2209425 от 27.07.2003, «Способ распознавания газообразных веществ и устройство для его осуществления».

Наиболее близким по техническому решению является Патент РФ №2051476 от 27.12.1995 «Способ диагностики плазмы и устройство для его осуществления».

Недостатком как аналогов, так и прототипа является то, что все существующие способы не предусматривают проведение измерений характеристик переменного электромагнитного поля в открытом космическом пространстве.

Цель изобретения - определения коэффициента погонного затухания космического пространства.

Поставленная цель достигается путем определения затухания переменного электромагнитного поля в космическом пространстве зондом, размещаемым в этой среде, путем диагностики характеристик исследуемой среды, причем зонд представляет собой плоский открытый конденсатор, затененный от солнечной радиации непрозрачным экраном, на который подают высокочастотные сигналы фиксированной частоты, при этом получают измерительную информацию от зонда в виде тангенса угла потерь и диэлектрической проницаемости исследуемой среды, позволяющих определить коэффициент погонного затухания космического пространства.

На чертеже представлена условная блок-схема установки для реализации способа. Обозначения, принятые на чертеже: 1 - зонд, содержащий открытый конденсатор; 2 - экран от солнечной радиации; 3 - измерительный комплекс. Определение коэффициента погонного затухания а осуществляется следующим образом. Как показано выше аналитическое выражение, определяющее этот коэффициент, содержит tgΔ, угол Δ которого определяется изменением разности фаз между током и напряжением на обкладках конденсатора с поглощающей средой по сравнению с углом разности фаз в вакууме, равном 90°. Угол, равный разности фаз φ_w между током и напряжением на обкладках конденсатора, соответствует фазе волнового сопротивления W. Он связан с углом электрических потерь соотношением Δ=2φ_w. Измерение угла φ_w. обеспечивает определение величины tgΔ. Это справедливо в случае принятия допущения, что в космосе нет магнитных потерь, свойственных магнитодиэлектрикам, либо они пренебрежимо малы. Если это допущение не справедливо и существуют также магнитные потери, то полученный результат определения величины затухания следует считать как «затухание не менее чем полученное в результате реализации предлагаемого способа».

В соответствии с принятым допущением об отсутствии магнитных потерь принимаем µ'=µ₀.

Для определения коэффициента α необходимо определить также вещественную часть электрической проницаемости среды распространения ε'. Для этого измеряется емкость конденсатора зонда C_k и сравнивается с его емкостью C₁ этого конденсатора, измеренной в любой иной среде с известной величиной электрической проницаемости ε₁. Отношение этих емкостей определяется выражением (при известных величинах s, d площади обкладок конденсатора и расстоянии между ними соответственно):

$$\frac{C_k}{C_1}=\frac{{\epsilon }_k\cdot s}{d}\cdot \frac{d}{{\epsilon }_1\cdot s}=\frac{{\epsilon }_k}{{\epsilon }_1}$$

Отсюда определяется диэлектрическая проницаемость космического пространства $${\epsilon }_k=\frac{C_k}{C_1}\cdot {\epsilon }_1$$

Поскольку мнимая часть комплексного значения диэлектрической проницаемости космоса существенно меньше его вещественной части (по этой причине диэлектрическую проницаемость космоса приравнивают к вакууму) ею можно пренебречь и в этом случае вещественная часть может быть приравнена к рассчитанной величине ε_k, т.е. ε'=ε_k.

Величины значений круговой частоты ω, используемой при проведении указанных измерений, и скорость света с известны и величина погонного затухания α рассчитывается по представленной выше формуле.

Таким образом, все величины, входящие в расчетную формулу e^-az для определения величины затухания переменного электромагнитного поля в космическом пространстве, измерены и рассчитаны, что позволяет определить величину затухания для различных расстояний z.

Способ определения затухания переменного электромагнитного поля в космическом пространстве зондом, размещаемым в этой среде, путем диагностики характеристик исследуемой среды, отличающийся тем, что зонд представляет собой плоский открытый конденсатор, затененный от солнечной радиации непрозрачным экраном, на который подают высокочастотные сигналы фиксированной частоты, при этом получают измерительную информацию от зонда в виде тангенса угла потерь и диэлектрической проницаемости исследуемой среды, позволяющих определить коэффициент погонного затухания космического пространства.