ПРИЛОЖЕНИЕ G

ПРОГРАММА HAARP:
план исследований по генерации КНЧ сигналов

: ионосферная проблематика : : эффективность возбуждения ВЧ → КНЧ : : проблематика связи с ПЛ :

 

Настоящая публикация является переводом раздела 6 документа «HAARP. Hight Frequecy Auroral Research Program. Joint Services Program Plans and Activities. Air Force Geophisics Laboratory * Navy Office of Naval Research. February 1990». Перевод разделов 1-3 приведен в Приложении Е настоящего обзора.

Перевод c английского © Janto.

Оригинал документа здесь: HAARP Program.

 

 

 

Одной из начальных целей проекта HAARP является количественная оценка возможности применения техники ВЧ нагрева для генерации в ионосфере КНЧ сигналов, которые могут быть использованы для связи с подводными лодками, находящимися в состоянии глубокого погружения. В этом контексте целый ряд ионосферных проблем и операционных задач, имеющих отношение к связи на КНЧ, рассматривается как неотъемлемая составная часть процесса планирования и реализации HAARP. К ним относятся следующие:

6.1. Ионосферная проблематика, относящаяся к генерации КНЧ сигналов.

Изменчивая роль, которую фоновая ионосфера может играть в высоких широтах, ставит ряд базовых вопросов, касающихся физики ионосферы (до включения нагревателя) в части, имеющей отношение к генерации КНЧ/СНЧ сигналов путем модуляции полярных электроджетов. Например, достаточно ли знаний о фоновой «ламинарной» ионосфере? Учитывая, что базовая теория генерации КНЧ сигналов путем нагрева ионосферы требует наличия электроджетов (или, как минимум, перпендикулярного электрического поля), что можно сказать о статистике электроджетов (локализация, сила, вариации и т.п.) в слое E высоких широт? Что известно о геофизической структуре и морфологии высокоширотного слоя D, расположенного под областью электроджетов? Также, что известно о тех же статистиках для площадок, которые могут рассматриваться в качестве места для нового нагревательного комплекса? Что можно сказать о естественно возмущенной ионосфере (вследствие, например, нестабильности электроджетов, F-рассеяния, осаждения частиц из магнитосферы и т.п.) в высоких широтах? Будут ли эти возмущения влиять на процессы генерации и распространения КНЧ сигналов?

Хотя большинство из этих вопросов сфокусировано на генерации КНЧ сигналов путем ВЧ нагрева высокоширотной ионосферы, знание фоновых свойств ламинарной и возбужденной ионосферы (в разрезе вышеприведенных вопросов) также важно применительно к любым феноменам, стимулируемым ВЧ нагревом в высоких широтах.

 

6.1.1. Потребности ионосферных исследований. Для фоновой «ламинарной» ионосферы имеются данные по токам электроджетов, электрическим полям и т.п. по крайней мере за один полный солнечный цикл. Однако они лишь частично представлены в таких форматах, которые могут быть полезны для достижения устойчивой генерации КНЧ сигналов путем ВЧ нагрева нижних слоев ионосферы. Кроме того, требуется их дополнительный анализ, чтобы извлечь из них пользу для планирования перспективных экспериментальных программ, включая местоположение нагревательного комплекса.

Требуются также как более точные модели естественно возмущенной ионосферы, так и более полное знание влияния этих возмущений на разогреваемую область ионосферы и генерацию КНЧ, например, влияния геофизически индуцированных микропульсаций на стабильность фазы КНЧ сигнала, как это было обнаружено во время экспериментов на комплексе HIPAS.

 

6.1.2. Рекомендации по ионосферным исследованиям. Относительно приемлемым решением на ближайшую перспективу является обработка имеющихся данных (например, данных цепочки магнетометров Аляски, данных радара в Чатанике и, возможно, данных радара в Миллстоун Хилл) за 11-летний солнечный цикл с целью получения статистики по электроджетам. Это может дать информацию по локализации, величине и вариациям токов (вероятности возникновения) системы электроджетов и поможет определить площадку для размещения нового комплекса.

Должна также быть проведена оценка влияния естественных возмущений на эффекты, которые предполагается создавать путем нагрева, например, влияния микропульсаций на стабильность фазы КНЧ сигнала, влияния истощения концентрации частиц на высоте слоя F на абсорбцию энергии нагревателя, влияния геофизических тепловых потоков на нагрев ионосферы и т.п.

6.2. Эффективность возбуждения ВЧ → КНЧ.

Генерация КНЧ волн путем модуляции токов Холла на низкой высоте с помощью ВЧ излучения была осуществлена в СССР, Тромсё (Норвегия), в Аресибо (Пуэрто Рико) и на комплексе HIPAS (США). Однако эффективность преобразования ВЧ → КНЧ оказалась критическим фактором для разработки и реализации работоспособных ионосферных КНЧ систем высокой мощности. В упрощенном виде эта эффективность зависит от следующих факторов:

• от максимальной величины дипольного момента M = IL при фиксированной ВЧ мощности, где I - величина тока в модифицируемой области, L - линейный размер модифицируемой области;
• от внутренней структуры и ориентации магнитного дипольного момента, которые должны быть оптимально согласованы с волноводом земля - ионосфера.

Оба фактора имеют различные физические масштабы, результатом чего требования к ВЧ передатчику различны в зависимости от того, где происходит абсорбция электромагнитной энергии - на высоте 75-80 км или выше. Высота 80 км приблизительно соответствует высоте, на которой частота столкновений электронов с нейтральными частицами примерно равна частоте электронно-циклотронного резонанса.

 

6.2.1. Проблематика нагрева на низких высотах. Некоторые вопросы, которые должны быть исследованы применительно к генерации КНЧ сигналов путем ВЧ нагрева ионосферы на высотах ниже 80 км, включают:

• эффективность генерирования КНЧ путем нагрева на гирочастоте;
• разработка таких способов повышения эффективности генерирования КНЧ, как увеличение нагреваемой области путем ее быстрого сканирования лучом антенны нагревателя (т.н. «рисование»);
• параметрическая зависимость мощности генерируемого КНЧ сигнала от условий естественной и возмущенной ионосферы;
• вычисление эфективности согласования генерируемого КНЧ сигнала с волноводом земля-ионосфера;
• идентификация и успокоение возможных эффектов самоограничения, вызываемых очень высокой мощностью ВЧ излучения.

6.2.2. Рекомендации по исследованию нагрева на низких высотах. Частичный прогресс в этом направлении может быть достигнут и при использовании существующих комплексов нагрева ионосферы, например, комплекса HIPAS с минимальными доработками, но при использовании хорошо спланированной дополнительной диагностики. Наиболее важным диагностическим инструментом является комплект КНЧ радиоприемников с частотным диапазоном 30 - 200 Гц, расположенных в ближней и дальней зонах генератора КНЧ, возбуждаемого разогревом. При этом должны использоваться и другие диагностические инструменты - для измерения профилей ионосферного электрического поля и тока, а также плотности и температуры как перед нагревом, так и во время нагрева.

Мощность и другие усовершенствования комплекса HIPAS должны учитываться при проведении описанных выше исследований только на основе последующей сравнительной оценки с результатами, полученными с использованием существующего комплекса.

 

6.2.3. Проблематика нагрева на больших высотах. К проблематике генерации КНЧ путем нагрева ионосферы на больших высотах относятся следующие вопросы:

• масштабирование мощности генерируемого КНЧ сигнала как функции от текущей плотности мощности излучения и частоты нагревателя;
• количественная оценка и успокоение эффектов самоограничения, связанных с распространением в ионосфере ВЧ волн очень высокой мощности;
• степень возможного повышения эффективности генерации КНЧ при использовании техники сканирования (режим «рисования»);
• возможное негативное влияние на эффективность генерации КНЧ неравномерного распределения поступающей в ионосферу энергии, обусловленного нелинейными эффектами (например, филаментацией);
• эффективность согласования генерируемого КНЧ сигнала с волноводом земля-ионосфера;
• возможности повышения эффективности генерации КНЧ с помощью инновационных концепций.

6.2.4. Рекомендации по исследованию нагрева на больших высотах. Для исследования описанной выше проблематики требуется новый, уникальный высокочастотный (с частотой не менее 6-7 МГц) комплекс с высокой эффективной излучаемой мощностью (от 90 до 100 dbW). Комплекс должен иметь режим сканирования, поддерживать оба типа поляризации (линейную и круговую), а также обеспечивать возможности перестройки по частоте и управления формой импульсов излучения. Для модуляции сигнала достаточно будет полосы порядка 10 кГц.

Такой комплекс должен быть укомплектован расширенным набором диагностических инструментов и, по возможности, предусматривать в т.ч. исследование разогреваемой области с помощью приборов, размещаемых на борту ракет. Расположение комплекса должно выбираться из соображений присутствия в разогреваемой области ионосферы мощных электрических токов и электрических полей. На практике место расположения комплекса должно выбираться исходя из компромисса между оптимизацией доступа к электрическим полям, стоимостью, доступностью инструментов диагностики и логистикой.

6.3. Проблематика связи с подводными лодками, связанная с использованием генерации КНЧ сигналов в ионосфере путем ее разогрева.

Существует также проблематика, более связанная с требованиями к функционированию системы, которая должна учитываться в дополнение к рассмотренной выше ионосферной проблематике. К ней относятся:

 

6.3.1. Общая исследовательская проблематика. Для систем связи с подводными лодками необходима частота порядка 70 - 150 Гц. На данный момент, однако, эксперименты по генерации КНЧ в ионосфере были проведены в диапазонах ниже 50 Гц и выше 200 Гц. Т.о., необходимо исследовать генерацию КНЧ в диапазоне 70 - 150 Гц.

Техника генерации КНЧ сигналов нагревом ионосферы могла бы быть привлекательной для связи с подводными лодками, если могла бы быть достигнута мощность излучения порядка 80 - 100 Вт. Т.о., особо важным является поиск ионосферных технологий, которые могли бы обеспечить существенный рост мощности излучения. Поскольку эффективность генерации КНЧ сигналов зависит от доступа к авроральным электроджетам, важным является знание их суточных, сезонных и прочих вариаций.

Кроме того, для использования ионосферного КНЧ генератора для связи с подводными лодками необходимо детальное знание характеристик создаваемой в ионосфере путем нагрева виртуальной КНЧ-антенны. К интересующим характеристикам относятся геометрия (паттерн) данной антенны, возможности по управлению параметрами этой геометрии, а также полоса пропускания виртуальной антенны.

 

6.3.2. Специальная проблематика КНЧ систем. План по исследованию генерации КНЧ сигналов путем ВЧ нагрева ионосферы должен разрабатываться в контексте следующих важных системных вопросов:

1. область операционного покрытия (Атлантика, Тихий океан, Арктика и пр.);
2. расположение потенциальных нагревающих ВЧ передатчиков;
3. размер нагревающих ВЧ передатчиков/комплексов;
4. скорость передачи КНЧ данных, котрая может быть достигнута;
5. конфигурация ВЧ нагревателей (стационарный/мобильный/сборно-разборный);
6. компромисс между стоимостью и параметрами функционирования;
7. ВЧ/КНЧ интерференция и влияние среды;
8. совместимость с существующими КНЧ системами.

6.3.3. Рекомендации по исследованиям, связанным с КНЧ системами. Полноразмерный доступ к возможностям генерации КНЧ сигналов путем ВЧ нагрева ионосферы возможен только при условии разработки подходящего нагревающего комплекса. Тем не менее, в ближайшей перспективе эксперименты по проверке концепции могли бы провдиться с использование существующего комплекса HIPAS. В этом случае к наиболее важным из описанных экспериментов можно отнести следующие:

1. генерация КНЧ сигналов в диапазоне 70 - 150 Гц;
2. оценка возможных способов повышения мощности КНЧ сигнала;
3. сравнение различных способов разогрева, например непрерывного и импульсного, в части эффективности генерациии КНЧ;
4. измерение величины КНЧ сигнала на различных расстояниях от передатчика.

* * * * * * * * *

 

 

Опубликовано 16.02.2019 Последнее изменение - нет

© Janto 2019 Все права защищены