Jak komunikovat s hypersonickými letadly za letu

Když kosmické lodě vstupují do atmosféry, pohltí je plazmový plášť, který může přerušit komunikační signály se zemí. Vzpomeňte na Apollo 13, kdy se tři astronauti vraceli z neúspěšné lunární mise v r. 1970. Jak se řítí do zemské atmosféry, je modul obklopen horkým ionizovaným vzduchem, který přerušuje komunikaci s řízením NASA v Houstonu. Každá vteřina, kdy volání letových dispečerů zůstává bez odezvy, se mučivě protahuje. Komunikační výpadek Apolla 13 byl ještě o více než minutu delší, než se očekávalo, což zvýšilo úzkost, protože v tom okamžiku neexistoval způsob, jak zjistit nebo ovládat polohu a stav kosmické lodi ze země.

„Jediná věc, kterou můžete udělat, je modlit se,“ řekl Xiaotian Gao, fyzik na Harbin Institute of Technology v Číně. Gao a jeho kolega Binhao Jiang navrhli nový způsob, jak udržovat komunikaci s kosmickými loděmi, když vstupují do atmosféry. Tento přístup by mohl být také aplikován na jiné hypersonické prostředky, jako jsou futuristická vojenská letadla a balistické rakety. O svém přístupu referovali v časopise Journal of Applied Physics.

Hypersonické vehikly obklopuje plasmatický plášť

Při rychlostech vyšších než Mach 5  už se vlastnosti vzduchu začínají odlišovat od ideálního plynu a nelze zanedbat efekty disociace a ionizace. Návrat kosmických lodí do atmosféry se děje při rychlostech přes Mach 25 a maximální tepelné namáhání obvykle probíhá za rychlostí Mach 10 až 15. Povrchová teplota hypersonického letadla může překročit 2 000 °C. K výpadkům komunikace s hypersonickými dopravními prostředky dochází, protože když se plavidlo pohybuje pětkrát nebo vícekrát rychleji než zvuk, vytvoří se kolem něj obálka horkého ionizovaného vzduchu nazývaná plazmový plášť. Tento plazmový plášť bude odrážet elektromagnetické signály a přeruší spojení. Ve skutečnosti však za určitých zvláštních podmínek může plazmový plášť záření z komunikační antény zvýšit.

Vylepšit anténu

Gao a jeho kolegové usoudili, že by bylo možné vytvořit tyto speciální podmínky při běžném hypersonickém letu přepracováním antény. Vědci nejprve analyzovali dřívější experimenty a zjistili, že speciální vylepšení signálu může být vysvětleno rezonancí a odpovídajícími elektromagnetickými oscilacemi mezi plazmovým pláštěm a okolním vzduchem. Navrhují vytvořit „spárovanou vrstvu“ k běžným komunikačním anténám, aby se během normálního hypersonického letu vytvořily požadované rezonanční podmínky.

Spárovaná vrstva se totiž chová v anténním obvodu jako kondenzátor a plazmový plášť působí jako induktor, vysvětlil Gao. Když jsou kondenzátor a induktor sladěny, mohou tvořit rezonanční obvod. „Jakmile je dosaženo rezonance, může být energie mezi nimi vyměňována stabilně a bezeztrátově, jako mezi skutečnou kapacitou a indukčností v obvodu,“ řekl Gao. „Výsledkem je, že elektromagnetické záření se může šířit skrz spárovanou vrstvu a plazmový plášť, jako by neexistovaly.“

Aby rezonance fungovala, musí být tloušťka přidané anténní vrstvy a plazmového pláště menší než vlnová délka elektromagnetických vln používaných ke komunikaci. Pokud by frekvence antény byla příliš vysoká a tím vlnová délka příliš krátká vůči tloušťkám vrstev, byly by vrstvy neúčinné.

Vlastnosti plazmového pláště se mohou během letu měnit

Gao a jeho kolegové věří, že jejich přidaná vrstva se může přizpůsobit těmto změnám, pokud je vyrobena z materiálu, jehož elektromagnetické vlastnosti mohou být doladěny elektrickým signálem.

„Nepotřebujeme přesně znát vlastnosti plazmové vrstvy, ale potřebujeme znát rozsahy těchto vlastností. Připojená vrstva bude nastavena automatickým řídicím systémem, takže potřebujeme pouze znát rozsahy, abychom se ujistili, že celý tento systém může fungovat správně,“ řekl Gao.

Tým není první, kdo se snaží vyřešit problém komunikačního výpadku, ale jejich přístup má oproti jiným pokusům výhody. Například zařízení potřebné k implementaci odpovídající přidané vrstvy je mnohem lehčí než zařízení požadované jinými metodami, jako je např. snaha řídit elektrony v plazmatu aplikovaným magnetickým polem nebo vstřikování kapaliny do plazmatu, aby se snížila jeho elektronová hustota. Přístup přidané vrstvy také nespoléhá na konkrétní tvar letadla, nespotřebovává další energii a může se přizpůsobit změnám plazmového pláště.

Čína potvrdila, že má řešení

V lednu 2023 čínská vláda oznámila, že vyřešila problém komunikace pro hypersonické střely a letadla pomocí WiFi a metamateriálů. Článek zveřejnil South China Morning Post.

Pro válčení i pro dopravu

Hypersonické zbraně se uvažují pro války budoucnosti. Při rychlosti přesahující pětinásobek rychlosti zvuku může hypersonická střela zasáhnout cíl z velké vzdálenosti a vzhledem k rychlosti je prakticky nemožné ji sestřelit obvyklou protivzdušnou obranou. Hypersonická letadla se zase považují za dopravní prostředky budoucnosti.

Pro jakékoli budoucí cestování hypersonickými letadly se stává zjevným problémem povrchová teplota a plazma blokující komunikační signály. Během pětiminutového letu mezi Londýnem a New Yorkem nepošlete textovku, ani si nezkontrolujete své sociální sítě. Větší problém je to však u zbraní - tradiční zbraně na bázi velkých střel mají bezpečnostní pojistky navržené tak, aby zneškodnily zbraň před kontaktem s cílem, což umožňuje útočníkovi útok odvolat. Pokud vyšlete zbraň pohybující se nadzvukovou rychlostí, není možné ji už vypnout nebo změnit její kurz.

Údajně potvrzeno pozemními testy

Čínský výzkumný tým navrhl anténu, která by umožnila hypersonickým prostředkům komunikovat při cestování mezi Mach 5 a Mach 20. V lednovém vydání Journal of Microwaves, recenzované publikaci provozované Čínským institutem elektroniky, uvedli výzkumníci, že tento nový systém tvořený měkkou a tenkou anténou bude využívat nízké frekvence. Pozemní testy ukázaly, že anténa dosáhla „pozoruhodného“ výkonu na frekvencích mezi 5,2 GHz až 5,8 GHz, tedy stejně nízkých frekvencích, jaké se obvykle používají pro 5G smartphony, vysokorychlostní Wi-Fi routery a další internetová zařízení. Podle článku vyvinul tým tenký membránový metamateriál složený z drátků uspořádaných s mezerami podobnými bludišti, které mohou zachytit nebo změnit elektromagnetické vlny. Jednoduše řečeno, složitý drátěný labyrint metamateriálu je schopen absorbovat více signálu a zvýšit kvalitu komunikace. Anténa zase dokáže převést tento nízkofrekvenční signál a zaostřit jej na paprsek, čímž vytvoří efektivní komunikační systém mezi hypersonickým prostředkem a operátorem.

(Bohužel, data o pozemních testech nebyla poskytnuta, takže informace nelze ověřit.) 

Zdroje:

Researchers propose potential new way to maintain communication with hypersonic vehicles in flight (phys.org)

China Says They Are Solving a Major Hypersonic Hurdle with Metamaterials and WiFi - The Debrief

„A matching approach to communicate through the plasma sheath surrounding a hypersonic vehicle,“ by Xiaotian Gao and Binhao Jiang, Journal of Applied Physics, June 9, 2015. DOI: 10.1063/1.4921751