ПРИЛОЖЕНИЕ I

АМЕРИКАНСКИЕ ПРЕДШЕСТВЕННИКИ HAARP

: комплекс в Платтевилле : : комплекс HIPAS : : комплекс в Аресибо : : комплекс в Джикамарке :

 

Нагревательный комплекс в Платтевилле (штат Колорадо) ведет свое начало с 1962 года, когда Национальный Исследовательский Институт Телекоммуникаций, входящий в структуру Национальной Телекоммуникационной и Информационной Администрации США, сформулировал предложения по созданию в Платтевилле атмосферной обсерватории для мощных радиоэкспериментов, в первую очередь для загоризонтной радиолокации. В 1963 году Департамент Коммерции подготовил программу финансирования данного проекта в размере 600.000 $, которую Конгресс утвердил на следующий год. С 1966 года началось финансирование проекта и, соответственно, проектирование и строительство мощного загоризонтного радиоизлучателя, который был запущен в 1968 г.

Однако в это время американская разведка доложила о существовании в СССР мощного радиокомплекса вертикального излучения в Лесном и проводимых на нем экспериментах по модифицированию ионосферы, в т.ч. в военных целях. Поэтому комплекс в Платтевилле был срочно дооснащен антенной решеткой вертикального излучения, с помощью которой в 1970 году были начаты эксперименты по модифицированию ионосферы. Решетка включала 10 широкополосных кросс-диполей, 9 из которых располагались на окружности диаметром 110 метров, а десятый располагался в ее центре.

Через несколько лет, в связи с понижением солнечной активности и, соответственно, максимально-применимой частоты ионосферы, дополнительно была построена решетка НЧ антенны вертикального излучения, состоявшая из 5 широкополосных кросс-диполей, 4 из которых располагались на окружности диаметром 144 метра, а пятый располагался в ее центре (в некоторых источниках ошибочно указывается, что данная решетка состояла из 10 кросс-диполей аналогично решетке ВЧ антенны). Координаты комплекса: 40°10'54" СШ, 104°43'30" ЗД.

Рис.I.1. Конфигурация антенных решеток комплекса в Платтевилле

(источник иллюстрации: Google Maps)

 

Диполи ВЧ антенны представляли собой соединенные основаниями конусы, образованные проволочными элементами, опирающимися на кольцевые распорки (см. рис.I.2). Длина диполей - 30 м, максимальный диаметр - 6,9 м, высота точки питания - 10 м. Полоса пропускания ВЧ антенны - от 4,5 до 10 МГц, ширина диаграммы излучения по уровню 3 дб на средней частоте 7,5 МГц - 16° при коэффициенте усиления 19 dBi. Поляризация излучения - левая и правая круговая, обеспечивалась фазосдвигающими элементами фидерной цепи.

Рис.I.2. Кросс-диполи решетки ВЧ антенны комплекса в Платтевилле

(источник иллюстраций: архивная версия сайта grison.colorado.edu)

 

Диполи НЧ антенны представляли собой петлевые вибраторы, выполненные из трубчатых элементов (см. рис. I.3). Полоса пропускания НЧ антенны - от 2,7 до 3,5 МГц, ширина диаграммы излучения по уровню 3 дб на частоте 3,0 МГц - 33° при коэффициенте усиления 15 dBi. Поляризация - левая и правая круговая.

Рис.I.3. Кросс-диполи решетки НЧ антенны (слева) и логопериодическая антенна горизонтального излучения (справа) комплекса в Платтевилле

(источник иллюстраций: архивная версия сайта grison.colorado.edu)

 

Антенна горизонтального излучения использовалась для экспериментов с загоризонтной радиолокацией. Она состояла из 10 линейных логопериодических элементов длиной 33,5 м, образованных вертикальными мополями с высотой самого высокого 11,66 м. Элементы располагались друг за другом с интервалом 24,54 м. Полоса пропускания антенны - от 7 до 25 МГц, усиление в направлении главного лепестка - 20 dBi. Направление главного лепестка могло меняться в пределах плюс-минус 45°.

Все три антенны питались от 10 передатчиков с максимальной выходной мощностью до 160 кВт. Т.о. максимальная мощность, подводимая к антенне, могла достигать 1,6 МВт. Предусматривалась возможность ступенчатого регулирования мощности путем изменения анодного напряжения выходных каскадов, выполненных на вакуумных тетродах.

Фидерная система была реализована на волноводах с волновым сопротивлением 50 ом. В качестве элементов волноводов использовались алюминиевые трубы для оросительных систем с диаметрами 17,8 см и 7,63 см. В диапазоне частот 5-30 МГц был достигнут КСВ не хуже 1,07 при затухании не более 0,02 dB на 30 м.

Рис.I.4. Павильон передатчиков и фидерная система комплекса в Платтевилле

(источник иллюстраций: архивная версия сайта grison.colorado.edu)

 

Комплекс был оснащен необходимым минимумом диагностических инструментов, в т.ч. ионозондом, камерами для регистрации атмосферного свечения, радарами отражения и некогерентного рассеяния и др. На нем в течение 70-х - первой половине 80-х годов проводились эксперименты по изучению F-рассеяния, ионосферных нерегулярностей вдоль геомагнитных силовых линий, возбуждению атмосферного свечения. В частности, впервые в мире было достигнуто возбуждение оптического излучения молекулами кислорода с длиной волны 6300 A°.

Однако, в связи с расположением комплекса далеко от авроральной и экваториальной областей ионосферы, он был малопригоден для исследований, связанных с генерацией низкочастотного излучения путем модуляции ионосферных токов. Данное направление в те годы (в связи с открытием эффекта Гетманцева) считалось наиболее актуальным и перспективным, поэтому в 1984 году все КВ-оборудование комплекса было демонтировано и передано для оснащения комплекса проекта HIPAS, а комплекс в Платтевиле был переориентирован на классические геофизические исследования и мониторинг.

 

Примечание. В отечественной литературе рассмотренный комплекс в Платтевилле часто ошибочно именуют комплексом в Боулдере, находящемся в оседнем штате. Это, очевидно, связано с тем, что геофизическая лаборатория Боулдера была причастна к созданию обсерватории в Платтевилле и владела им на первом этапе его функционирования. В программе HAARP данный комплекс именуется как комплекс в Платтевилле, Колорадо.

 

Комплекс по программе HIPAS (HIgh Power Auroral Stimulation - Авроральная Стимуляция Высокой Мощности) является детищем Лаборатории Физики Плазмы Калифорнийского Университетат Лос Анджелеса (PPL UCLA) и Университета Фэрбэнкса на Аляске (UAF). Генеральным направлением программы HIPAS было продолжение экспериментов, начатых в Платтевилле, но уже в авроральной области, при этом в первую очередь по генерации нагревом ионосферы низкочастотных радиосигналов с прицелом на отработку техники ионосферной связи с подводными лодками. Комплекс был запущен в эксплуатацию в 1986 году и проработал 21 год.

Комплекс был расположен на Аляске в точке с координатами 54°52'19"СШ 146°50'33"ЗД, недалеко от Фэрбэнкса, где находится Университет Аляски, ныне владеющий комплексом HAARP. Антенна комплекса представляла собой фазированную решетку из 8 кросс-диполей, 7 из которых располагались по окружности диаметром около 210 м, а восьмой располагался в ее центре, т.е. использовалась конфигурация, аналогичная конфигурации антенных решеток в Платтевилле. Фидерная система так же, как и в Платтевилле, была реализована на волноводах из алюминиевых труб.

Рис.I.5. Карта расположения комплекса HIPAS на местности

(источник иллюстраций: архивная версия сайта hipas.alaska.edu)

 

Каждый кросс-диполь запитывался от отдельного передатчика, в качестве которых использовались передатчики, демонтированные с комплекса в Платтевилле, при этом их мощность была уменьшена до 150 кВт, что, очевидно, связано с параметрами источников питания. Комплекс работал на двух фиксированных частотах - 2,85 МГц и 4,53 МГц, что близко ко второй и третьей гармоникам частоты циклотронного резонанса электрона на заданной высоте в данной местности. Для разогрева ионосферы Использовался режим непрерывного излучения с амплитудной модуляцией в диапазоне 100 Гц - 20 кГц и частотной модуляцией в диапазоне 0 - 20 кГц, что вытекает из задачи генерации НЧ радиосигнала в соответствующем диапазоне.

Рис.I.6. Кросс-диполи комплекса HIPAS

(источник иллюстраций: архивная версия сайта hipas.alaska.edu)

 

Кросс-диполи комплекса HIPAS внешне напоминают НЧ диполи комплекса в Платтевилле, но, в отличие от них и от диполей HAARP, являются резонансными с резонансами на рабочих частотах 2,85 МГц и 4,53 МГц, которые, предположительно, обеспечиваются пассивными элементами, изменяющими электрическую длину вибраторов в зависимости от частоты. Длина траверсы каждого диполя антенны - около 29 м, высота над землей - около 14 м, усиление на частоте 2,85 МГц - 18,4 dBi. Поляризация излучения - правая и левая круговая, обеспечивается путем сдвига фаз напряжений возбуждения с помощью согласующего устройства (триаксиального балуна)

Рис.I.7. Павильон передатчиков комплекса HIPAS

(источник иллюстраций: архивная версия сайта hipas.alaska.edu)

 

Управление комплексом было компьютеризировано, что позволяло управлять фазой и амплитулой излучения каждого кросс-диполя. В результате была обеспечена возможность сканирования лучом в пределах 36 градусов от зенита, а также формирования различных конфигураций области разогрева, что значительно расширяло возможности по генерации ионосферных НЧ сигналов.

На комплексе HIPAS было проведено большое число различных экспериментов. Однако на главном направлении исследований - ионосферной радиосвязи с подводными лодками приемлемые для практики результаты получены так и не были. В связи с исчерпанием технических возможностей комплекса и запуском комплекса HAARP проект HIPAS в 2007 году был закрыт и все оборудование демонтировано. В настоящее время на месте бывшего антенного поля на спутниковой карте просматривается лишь лужайка, поросшая травой.

 

 

 

 

Комплекс в Аресибо (Пуэрто-Рико) принадлежит Пенсильванскому Государственному Университету (Pennsylvania State University - PSU). Он предназначен для исследования слоя D ионосферы на примерах кросс-модуляции (Люксембургский эффект) и модуляции токов экваториального ионосферного динамо. Эксперименты с кросс-модуляцией были начаты PSU еще в 1963 году, для чего в расположенной недалеко от университета деревушке Scotia был сооружен комплекс, включавший рамочную антенну вертикального излучения, импульсный радиопередатчик и радиоприемный центр. Однако он создавал колоссальные помехи другим радиосистемам и FCC (Федеральная Комиссия по Связи) запретила его эксплуатацию. В связи с этим было принято решение о его перебазировании в Аресибо, где он претерпел модификацию и начал эксплуатироваться в 1970 году.

Рис.I.8. Комплекс PSU в д. Scotia (Пенсильвания) по исследованию ионосферной кросс-модуляции. Слева - рамочная антенна, справа - импульсный 500-киловаттный передатчик.

(источник иллюстраций: A.J.Ferraro. Early experiments at Arecibo observatory)

 

Сначала комплекс в Аресибо использовал зеркало всемирно-известного радиотелескопа, на которое был установлен собственный облучатель PSU - логопериодическая антенна кросс-яги. Облучатель запитывался от передатчика мощностью 100 кВт в диапазоне 3 - 10 МГц. Он устанавливался на время экспериментов, а в нерабочем состоянии складывался и хранился в одном из подсобных помещений. В результате таких манипуляций облучатель периодически ломался, поскольку был изготовлен, преимущественно, из медного провода. Кроме того, конструкция искрила и создавала коронный разряд. Поэтому параллельно шло проектирование и строительство отдельного наземного нагревательного комплекса в Ислоте недалеко от Аресибо.

Рис.I.9. Облучатель нагревательного комплекса первого этапа в Аресибо. Слева - схема размещения (проект), справа - фото.

(источники иллюстраций: 1. A.J.Ferraro. Early experiments at Arecibo observatory 2. J.K.Breakall. The New Arecibo HF Facility Dual Array Cassegrain Antenna)

 

Наземный комплекс в Ислоте знаменовал собой второй этап работ в Аресибо. Он был введен в строй в 1980 году. Его антенна представляла собой фазированную решетку 4х8 (две секции 4х4) размером 2160х1080 футов (приблизительно 660х330 метров). Каждый элемент решетки представлял собой проволочную пирамиду-рупор из логопериодических яги-антенн на растяжках, ориентированную вершиной к земле, которая, обладая высокой электропроводностью вследствие ее высокой засоленности, выполняла роль идеального отражателя.

Рис.I.10. Антенная решетка комплекса второго этапа в Аресибо и ее излучающий элемент

(источник иллюстрации: A.J.Ferraro. Early experiments at Arecibo observatory)

 

Рис.I.11. Антенное поле комплекса второго этапа в Аресибо

(источник иллюстрации: J.D.Mathews. A short history of geophysical radar at Arecibo Observatory)

 

Антенная решетка имела усиление 23 dBi в диапазоне 3 до 12 МГц при ширине основного лепестка диаграммы 5° - 10°. Она запитывалась от 4-х 150 киловаттных передатчиков с суммарной мощностью 600 кВт, что обеспечивало эффективную излучаемую мощность до 160 МВт. Использовалась как линейная, так и левая и правая круговая поляризация, а также импульсная модуляция в диапазоне частот от 500 Гц до 5 кГц. Фидерная система сначала была построена на открытых проводных линиях, но впоследствие заменена на фидер с использованием волноводов из алюминиевых оросительных труб (аналогично фидерным системам в Платтевилле и Фэрбэнксе).

На данном комплексе в 80-е - 90-е годы было проведено большое число различных экспериментов. Однако в 1998 он был стерт с лица земли мощнейшим циклоном Джордж. Чтобы данная история не повторилась, было принято решение о строительстве нового комплекса непосредственно в чаше радиотелескопа. Такой комплекс был построен в начале 2000-х и существует по настоящее время. Он включет расположенные в центре рефлектора телескопа две группы кросс-диполей (по три кросс-диполя, в вершинах равносторонних треугольников) на частоты 5,1 МГц и 8,175 МГц. Под кросс-диполями расположена металлическая сетка с размером ячеек 4х4 м, непрозрачная для частот ниже 20 МГц, выполняющая функции отражателя для излучения кросс-диполей и экрана для защиты оборудования кросс-диполей от мощного ВЧ излучения радиотелескопа.

Рис.I.12. Конфигурация ВЧ-комплекса Аресибо третьего этапа

(источники иллюстрации: сайт обсерватории Аресибо)

 

Усиление антенной решетки на частоте 5,1 МГц - 22 dB при угле раскрыва диаграммы 13°, усиление на частоте 8,175 МГц - 25,5 dB при угле раскрыва диаграммы 8,5°. Поляризация излучения - линейная и круговая. По возможностям управления диаграммой и сканированием данных нет. Каждый кросс-диполь запитывается от отдельного передатчика мощностью 100 кВт.

Комплекс фактически объединяет в себе нагревательный стенд и радар некогерентного излучения, что является его несомненным преимуществом. Однако число публикаций по проведенным на нем исследованиям незначительно. С 2017 года комплекс находится в дедлайне и руководство обсерватории пытается найти пользоватей - экспериментаторов для предоставления им комплекса на коммерческих условиях.

 

В некоторых публикациях к комплексам нагрева ионосферы относят радиотехнический комплекс в Джикамарке (Перу), излучатель которого представляет собой фазированную антенную решетку из 18432 кросс-диполей, расположенных на площадке размером 288х288 м. Пиковая мощность данного комплекса - 1,5 МВт, рабочая частота - 49,9 МГц. Он был построен в 1961 году и является совместным проектом Института Геофизики Перу и Корнельского Университета при поддержке ряда научных государственных структур США.

Данный комплекс по своему назначению относится к радарам некогерентного рассеяния, предназначенным для изучения атмосферы и ионосферы пассивными методами. Он способен вызывать нагрев ионосферы, но, несмотря на крайне высокую мощность, очень незначительный, который является лишь его побочным эффектом. По этим причинам отнесение его к категории комплексов для нагрева ионосферы некорректно и здесь он детально не рассматривается.

* * * * * * * * *

 

 

Опубликовано 03.03.2019 Последнее изменение - нет

© Janto 2019 Все права защищены