Vyzrajeme na nemožnost komunikace během návratu do atmosféry?!

Atmospheric Re-Entry Demonstrator (ARD) zdroj: dlr.de

Úspěšný zážeh hlavního motoru proti směru letu, otočení do správné polohy pomocí trysek RCS, rozdělení soulodí a už se návratový modul začíná nořit do hustých vrstev atmosféry. Za okýnkem se astronautům začínají objevovat první žluté jazyky vznikajícího plazmatu až nakonec výhled obklopí jedno ohnivé inferno. V pozemním středisku houstne atmosféra. Do komunikace s astronauty se nejprve vloudí drobné praskání, které za chvíli zcela pohltí radiový šum. Data na obrazovkách terminálů už v tomto okamžiku také nevypovídají nic o tom, co se aktuálně s lodí děje…

Podobné scénáře provázejí sestup každého tělesa z oběžné dráhy. Pozemní řídící týmy nemají tuto fázi letu zrovna v lásce a tak se nelze divit radosti, jež zavládne po opětovném navázání spojení. Jev způsobuje plazma, které vzniká, když se těleso pohybuje v husté atmosféře rychlostí 10 Machů a více. Tím pádem se problém s rušením komunikace netýká jen vracejících se kosmických strojů, ale i hypersonických letadel nebo balistických střel. Takže i armáda má velký zájem na řešení tohoto palčivého problému, protože nyní může tyto stroje jen obtížně řídit, znemožněna je i autodestrukce v případě nestandardního chování a zejména navigace pomocí GPS, jejíž signál je velice slabý a nejsnáze se zaruší.

Problémy se spojením s objekty letícími hypersonickými rychlostmi byly známy dříve, než začal člověk létat do kosmu, ale teprve s počátkem pilotovaných letů se stal problém natolik palčivým, aby se do jeho řešení začalo významněji investovat. Hledaly se frekvence, které budou na rušení plazmou nejméně náchylné – neúspěšně. Návrh na hrot, který by trčel z lodi mimo hlavní oblak plazmatu či změna tvaru „nosu“ lodi na ostřejší, také neprošly. Při programu Gemini se uvažovalo o rozstřikování vody do plazmového pláště s cílem tento narušit. Bohužel by na efektivní deionizaci bylo potřeba poměrně velké množství vody, která by letěla na úkor užitečnějšího nákladu. Jinou látku, která by dokázala deionizovat podobně jako voda a byla například součástí ablativního štítu, přičemž by se uvolňovala, jsme zatím neobjevili, i když několik kandidátů by bylo. Problémem jsou testy, které se dají dělat v menším měřítku ve speciálních větrných tunelech, jelikož rychlosti nad Mach 10 je obtížné docílit. Skutečně relevantní data poskytnou však pouze testy přímo v atmosféře, což vyžaduje těleso dostatečně urychlit a hlavně uřídit. Testy jsou tak extrémně finančně náročné. Díky nedostatečnému počtu testů máme pak nedostatek dat k tomu, abychom mohli provádět skutečně průkazné simulace v počítači.

Kosmickou loď kónického tvaru plasma zcela obemkne a znemožní tak radiovou komunikaci zdroj: nasa.gov

Kosmickou loď kónického tvaru plasma zcela obemkne a znemožní tak radiovou komunikaci
zdroj: nasa.gov

Mezi další nápady, které se během let výzkumu tohoto fenoménu objevily a jsou rozpracovány pouze teoreticky, patří ovládání plazmatu pomocí magnetického pole, využití extrémně výkonných laserů nebo vystřelování drobných projektilů ne nepodobných vzkazu v lahvi. Problém vyřešil až příchod raketoplánu a zejména instalace komunikačních družic TDRS na geostacionární dráze. Dokázal to díky své velikosti, protože malá tělesa plazma snadno obemkne (viz úvodní obrázek Atmospheric Re-Entry Demonstrator). Podstatný také byl jeho tvar, pod jakým úhlem a v jaké poloze vstupoval do atmosféry. V ionizovaném plynu tak vznikl tunel, díky němuž antény na horní části raketoplánu měly volný přístup k TDRS, takže přenos hlasu a telemetrie byl možný.

Při opětovnému přechodu k lodím klasického tvaru se nám problém plazmatem vrátil jako bumerang. S teoretickým řešením přišli dva čínští vědci Xiaotian Gao a Binhao Jiang z Harbinského technologického institutu. Chtějí použít plazmatický plášť, který běžně brání elektromagnetickým vlnám, naopak pro zesílení signálu. Zjistili, že pokud elektromagnetické fluktuace antén jsou synchronizované s fluktuacemi okolí, tak v tu chvíli jev známý jako rezonance může zesílit jejich signál. Dá se to připodobnit k opernímu pěvci, který správným tónem dokáže rozvibrovat sklenici s vínem až se tato roztříští.

V horní části raketoplánu má signál z antén cestu k družicím TDRS částečně otevřenu zdroj: nasa.gov

V horní části raketoplánu má signál z antén cestu k družicím TDRS částečně otevřenu
zdroj: nasa.gov

V reálu by to vypadalo tak, že na povrchu komunikační antény by byly pečlivě navržené izolační vrstvy, které by ukládaly elektrickou energii. V kombinaci s plazmatem by pak tato „uzavřená vrstva“ generovala rezonanční stav a signál by se tak mohl šířit. K zajištění rezonance je nutné aby uzavřená vrstva spolu s plasmatem byly tenčí než je vlnová délka přenášených signálů. Vrstva plazmatu se během letu mění, což komplikuje snahy o generování rezonance. Vědci ale navrhli řešení: Uzavřená vrstva může kompenzovat tyto změny, pokud je vyrobena z materiálu, jehož elektromagnetické vlastnosti mohou být změněny elektricky.

„Nepotřebujeme znát přesně vlastnosti vrstvy plazmatu, ale potřebujeme znát rozsahy těchto vlastností,“ uvedl Gao v prohlášení pro Space.com. „Uzavřená vrstva bude upravena automatickým řídícím systémem, takže nám stačí znát rozsahy, abychom se ujistili, že celý tento systém může fungovat správně.“

Vědci poznamenávají, že jejich nový přístup má řadu výhod oproti předchozím pokusům o vyřešení problematiky komunikačního blackoutu. Nepotřebujeme měnit tvar tělesa ani spotřebovávat více energie nebo navyšovat hmotnost.

Přesto Gao varoval, že celé řešení je zpracováno pouze v teoretické rovině. „Je třeba jej ověřit dalšími experimenty,“ řekl.

Celá koncepce vypadá docela nadějně. Ostatně využít plazmatu jako antény není nijak nový nápad a tomto směru právě probíhá drobná technologická revoluce u vysokofrekvenčních zařízení.

Zdroje informací:
http://www.space.com/29675-hypersonic-spacecraft-communications-reentry-tech.html
https://www.aip.org/publishing/journal-highlights/communicating-hypersonic-vehicles-flight
http://www.spaceacademy.net.au/spacelink/blackout.htm
http://urgentcomm.com/mag/shuttle-blackout-myth-persists
http://www.scientificamerican.com/article/piercing-the-plasma/
https://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_antenna

Zdroje obrázků:
http://www.dlr.de/as/Portaldata/5/Resources/images/abteilungen/abt_rf/rf_ARD1-2.jpg
http://www.nasa.gov/centers/langley/images/content/534809main_unflyable1-720p.jpg
http://www.nasa.gov/sites/default/files/orion-eft-1-flight-reentry1_1.jpg

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.5/5 (21 votes cast)
VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 0 (from 0 votes)
Vyzrajeme na nemožnost komunikace během návratu do atmosféry?!, 2.5 out of 5 based on 21 ratings
Pin It
(Visited 1 917 times, 1 visits today)
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.5/5 (21 votes cast)
(Visited 1 917 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


8 komentářů ke článku “Vyzrajeme na nemožnost komunikace během návratu do atmosféry?!”

  1. Petr M. napsal:

    Když už to tady čtu, co zpracovat článek o návratu z vesmíru obecně. Jak to funguje, co je potřeba, co fyzika apod. a zároveň spoustě lidí objasnit neustále dotazy proč pro letu do vesmíru rakety neshori, ale zpět ano.
    Ale možná to tady už bylo 😉

  2. gg napsal:

    Optická komunikace by měla zabrat vždy. 😉 „Extrémně výkonný laser“ by neměl být zapotřebí, pouze správný tracking. Bohužel by to obnášelo nějaké ty mechanické součástky. Ale vzhledem k tomu, že optická komunikace nejspíše v budoucnu bude použita na dálkové spoje, tak ji jednoho dne musíme zvládnout tak jako tak.

  3. gg napsal:

    Jinak ještě technická poznámka: „control system“ je česky téměř zásadně „řídicí systém“, o žádné kontroly nejde (leda že by ze počítaly vstupy zpětnovazebních smyček).

  4. Petr Hájek napsal:

    Což takle použít ke komunikaci neutrina ,vyrobit je umíme a detekovat taky ,sice špatně a málo ale pro digitální přenos jednoduchých dat možná dostatečně ,nebo je to nesmysl?

    • Tomáš Kohout napsal:

      Rozhodně to není nesmysl. Je faktem, že neutrina by plazmatem prošla jako nůž máslem. Ovšem výroba a zachycení zatím vyžadují skutečně obrovské stroje.

      Na druhou stranu počítače kdysi také zabíraly celé budovy a dnes tentýž výkon nosíme v kapse.

Zanechte komentář