Способ возмущения ионосферы и устройство для его осуществления
Использование: в геофизике, в частности в аэрономии. Сущность изобретения: способ возмущения ионосферы заключается в инжекции в ионосферу системы неперекрывающихся высокоскоростных струй паров плазмообразующего вещества, атомный вес которого близок к молекулярному весу воздуха. Параметры струй удовлетворяют соотношениям Eo/mo 80 кДж/г, m0
10l3a
a, где Eo, mo - энергия и масса струи; la - средний свободный пробег молекул воздуха;
a - плотность воздуха. Устройство содержит заряды ВВ и средства их инициирования. В каждом заряде выполнена центральная кумулятивная выемка цилиндрической формы, облицованная плазмообразующим материалом. Выемка заполнена тонкостенными трубками из того же плазмообразующего вещества, но имеющего высокопористую структуру. Средняя плотность плазмообразующего вещества в выемке удовлетворяет соотношению
00
2Q, где
00 - плотность плазмообразующего вещества (г/см3); Q - теплота испарения плазмообразующего вещества (кДж/г). 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области геофизики, преимущественно аэрономии, и может быть использовано при исследовании ионосферы в активных экспериментах, в которых по отклику среды на воздействие источника возмущения с известными параметрами определяются ее свойства.
Естественным способом возмущение ионосферы происходит при воздействии импульсов УФ-излучения солнечных вспышек [1,2]. До начала активных экспериментов проводимые при вспышках исследования давали единственную информацию о свойствах возмущенной ионосферы. Из-за неопределенности параметров источника естественной ионизации исследования процессов в ионосфере часто дают различные и противоречащие друг другу результаты. Известны способы возмущения ионосферы с помощью взрывов мощных химических взрывчатых веществ [ВВ] [3], которые дают полезную информацию о геофизических процессах в возмущенной ионосфере. Однако продукты взрыва не светятся собственным светом при взрыве на больших высотах. Их подсветка осуществляется лучами заходящего или восходящего солнца. Это не позволяет исследовать релаксационные процессы, вызванные возмущением ионосферы. Прототипом изобретения по способу и устройству является возмущение ионосферы и создание в ней области искусственной ионизации путем взрывной инжекции кумулятивными зарядами ВВ плазмообразующих веществ с низким потенциалом ионизации, например, бария, которые ионизируются УФ-излучением солнца. Такой способ широко используется в активных геофизических экспериментах и дает обширную информацию по свойствам возмущенной ионосферы и физике космической плазмы [4]. Недостатки прототипа связаны с тем, что эксперименты необходимо проводить при облучении плазмообразующего вещества солнцем и соответственно при высоком уровне создаваемых им помех. Из-за высокого времени ионизации солнцем (~ 10 с) не удается исследовать более короткие процессы в ионосфере. Для регистрации наземными измерительными комплексами необходимы размеры ионизированных областей около 1 км, для создания которых инжектируют десятки кг плазмообразующего вещества. При этом состав плазмы значительно отличается от естественного, что не позволяет исследовать процессы фотохимии и релаксации ионосферы, ухудшает в ней экологическую обстановку. Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей прототипа на высотах свыше 120 км за счет импульсного возмущения ионосферы и создания в ней больших ионизированных и светящихся в ночном небе областей с малым содержанием примесей плазмообразующих веществ. Указанная цель достигается тем, что в ионосферу выпускают систему высокоскоростных струй паров плазмообразующего вещества с атомным весом, близким к молекулярному весу воздуха. Параметры каждой струи выбирают из соотношений![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/25/250621.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
Na - число Авогадро. Высокоскоростные струи инжектируют таким образом, чтобы образующиеся ионизированные области от каждой струи не перекрывались. В качестве плазмообразующего вещества может использоваться алюминий. Такой способ может быть осуществлен устройством новой конструкции, содержащим заряды ВВ и средства их инициирования, заряды выполнены с центральной кумулятивной выемкой, облицованной плазмообразующим веществом. Отличие устройства, позволяющее осуществить новый способ, состоит в том, что в каждом заряде кумулятивная выемка выполнена цилиндрической формы и заполнена высокопористым плазмообразующим веществом, в виде тонкостенных трубок, расположенных параллельно продольной оси выемки, среднюю плотность плазмообразующего вещества в кумулятивной выемке выбирают из соотношения
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
Поскольку перечисленные выше аналоги и прототип не содержат признаков, сходных с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, и не известны технические решения, в которых эти признаки используются по данному назначению, то заявленное техническое решение обладает существенными отличиями. Выпуск системы струй с выбранными параметрами в ионосферу обеспечивает активное импульсное воздействие на нее и создание одной или нескольких (по числу кумулятивных зарядов) неперекрывающихся областей ионизированного воздуха на большом расстоянии от точки инжекции, превышающем радиус торможения продуктов взрыва. Применение струи паров вещества с атомным весом, близким к молекулярному весу воздуха (например, алюминия), обеспечивает быстрое установление термодинамического равновесия между атомами струи и захваченным ею воздухом в процессе торможения и соответственно высокие температуры атомов и электронов, достаточные при неполном термодинамическом равновесии для эффективной ионизации и возбуждения воздуха, окружающего области торможения струй. Приведенные соотношения между параметрами струй и ионосферы обеспечивают оптимальную передачу начальной энергии струй во внутреннюю энергию газа в областях их торможения и соответственно максимальное воздействие на ионосферу. Выполнение кумулятивных выемок зарядов ВВ цилиндрической формы и заполнение ее пористым веществом при выбранном соотношении между его плотностью и теплотой испарения обеспечивают его эффективное испарение взрывом стандартных мощных химических ВВ, а также повышает КПД преобразования энергии взрыва в энергию струи по сравнению с прототипом, где из плазмообразующего вещества изготовлена лишь облицовка конусной кумулятивной выемки заряда. Все отличительные признаки способствуют расширению функциональных возможностей способа за счет кратковременного возмущения ионосферы и создания в ней больших ионизированных областей, не перекрывающихся продуктами взрыва на высотах свыше 120 км, а также возбуждения разнообразных ионосферных эффектов, требующих мощного импульсного воздействия. Изобретение будет понятно из следующего описания приложенной схемы устройства и реализации способа (фиг.1). Устройство содержит размещенные на платформе 1 кумулятивные заряды ВВ 2 и электронный блок их подрыва 3. Кумулятивные заряды имеют корпус 4, детонатор 5, взрывчатое вещество 6, пористое плазмообразующее вещество 7, размещенное в цилиндрической выемке с облицованными тем же сплошным веществом стенками 8 и выходную трубку 9. Предложенный способ реализуется с помощью устройства следующим образом. Платформа 1 с размещенными на ней кумулятивными зарядами ВВ 2 и блоком подрыва 3 доставляется на заданную высоту геофизической ракетой. При подаче на блок подрыва 3 команды запуска детонаторами 5 возбуждается взрыв зарядов ВВ 6, которые испаряют плазмообразующее вещество 7 в кумулятивной выемке 8 каждого заряда 2 и выталкивают его с высокой скоростью через трубки 9 в виде сгустков конечных размеров 10 на большое расстояние от платформы 1. Сгустки 10 расширяются со скоростью, определяемой их внутренней энергией, которая в начале составляет около 20% от кинетической и быстро убывает при расширении. Когда плотность в сгустках становится сравнимой с плотностью окружающего воздуха, он захватывается сгустком. В результате газокинетических столкновений кинетическая энергия направленного движения переходит во внутреннюю энергию заторможенных паров и захваченного ими воздуха при очень высокой температуре тяжелых частиц. Горячие области 11 торможения сгустков, воздействуя на ионосферу тормозным УФ- излучением, и в результате амбиполярной диффузии [5] образуют в ней светящиеся ионизированные области 12 с размерами, намного превышающими области торможения 11. Применение высокопористого вещества 7 необходимо для его испарения взрывом ВВ. Внутренняя энергия E вещества и его скорость U в ударной волне возрастают с уменьшением его начальной плотности
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
Выполнение пористого вещества 7 в виде тонкостенных трубок, расположенных параллельно продольной оси цилиндрической кумулятивной выемки, повышает скорость истечения струи и долю ее кинетической энергии. Увеличение длины выходной трубки 9 позволяет уменьшать долю внутренней энергии струи, ее диаметр и соответственно увеличивать ее кинетическую энергию и таким образом регулировать длину полета сгустка 10 до его торможения. Сопротивление его движению
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
Формула изобретения
Eo/mo
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
m0
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8818.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
где Eo - энергия струи;
mo - масса струи;
la - средний свободный пробег молекул воздуха;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
Q - теплота испарения плазмообразующего вещества, кДж/г.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4