Связь будет!: Дзюдо с плазмой
Современные ракеты и возвращающиеся из космоса посадочные модули способны разгоняться до скорости, которая называется уже не сверхзвуковой, а гиперзвуковой — часто до 8 и даже 15 Маха. Проталкиваясь сквозь атмосферу, они разогревают окружающие молекулы, вызывая их распад. Такой аппарат окружает оболочка раскаленной и заряженной плазмы, сквозь которую радиоволны проникнуть не в состоянии. Аппарат временно слепнет, глохнет и немеет.
Проблема эта известна не первое десятилетие, и для решения ее были опробованы самые разные подходы. В частности, предлагалось использовать низкочастотный сигнал, способный проникать сквозь слой плазмы. Это действительно работает, но практически бесполезно, поскольку не может обеспечить достаточно быстрый обмен данными. Еще один путь состоит в проектировании аппарата таким образом, чтобы плазменный слой не покрывал заранее определенные части его поверхности, где можно было бы разместить антенны. Но и он малореалистичен: получается, что весь аппарат или ракету придется конструировать вокруг системы связи, в ее интересах жертвуя другими, часто даже более важными, параметрами. Звучало и предложение помещать антенну в выдающийся далеко вперед «шпиль», который бы выдавался за пределы плазменного кокона. Но и оно не идеально, поскольку такая антенна очень быстро разрушается из-за перегрева.
Однако недавно группа академика Владимира Захарова из черноголовского Института теоретической физики имени Ландау предложила совершенно новый подход к решению этой старой проблемы. Идея российских физиков состоит в том, чтобы использовать для передачи сигнала свойства самой плазмы «так же, как умелый дзюдоист использует силу и движения своего противника для победы над ним».
Чтобы объяснить суть этого предложения, стоит напомнить, что плазма представляет собой ионизированный газ и поглощает электромагнитное излучение в узком диапазоне определенной резонансной частоты, конкретное значение которой зависит от свойств плазмы — например, ее плотности. Любой входящий сигнал близкой к резонансу частоты частично будет отражаться и теряться, а частично абсорбироваться плазмой и порождать на определенной глубине внутренние электромагнитные волны. Это позволяет рассматривать саму плазму в качестве вполне эффективной радиоантенны, способной получать сигнал — правда, он не будет достигать глубоких ее слоев и, как следствие, самого летательного аппарата.
Так что для того, чтобы добраться до этого сигнала, придется подключить дополнительную систему, работающую изнутри аппарата. Она будет излучать также близко от резонансной частоты, и ее волны также будут частично поглощаться, частично отражаться плазмы. Тут-то и обнаруживается хитрость: характеристики отраженного излучения определяются свойствами плазмы — в том числе и электромагнитными волнами в ней, а эти волны, в свою очередь, модулируются радиосигналом, приходящим извне. Иначе говоря, испущенные самим аппаратом и отраженные его плазменным «коконом» волны будут нести информацию о внешнем сигнале, неспособном проникнуть сквозь слои плазмы. Это и должно, по мысли физиков, позволить космонавтам обрести связь с миром даже на гиперзвуковой скорости.
Тот же подход можно использовать и для передачи сигнала наружу. Конечно, изменения в электромагнитных свойствах плазмы, вызванные сравнительно слабым бортовым передатчиком тоже не будут слишком значительны, но современные наземные антенны обладают огромной чувствительностью и вполне способны их заметить. Все достижимо даже с использованием принципиально той же аппаратуры, которая работает уже сегодня.
Впрочем, нельзя пройти мимо того факта, что в работе команды Захарова рассматривается идеализированный случай, лишенный целого ряда тонкостей, присущих реальным системам. К примеру, пока в достаточной мере не исследован вопрос о том, не изменит ли радиосигнал и порожденные им электромагнитные волны аэродинамических свойств плазменной оболочки, и не приведет ли это к нестабильности полета.
Конечно, особый интерес к этой идее наверняка проявят военные развитых стран, ведь гиперзвуковое оружие — одна из самых горячих тем в оборонных разработках. О некоторых достижениях и провалах в этой области можно прочесть в заметке «Проблемы с постановкой удара».
По публикации MIT Technology Review / The Physics arXiv Blog