А. В. Николаев1, Е. И. Старовойтов2, А. В. Колесников3, Д. В. Федосов4, Р. А. Бекишев5
1 Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН (Москва, Россия)
2 АО «НИИМА «Прогресс» (Москва, Россия)
3–5 НПООО «КВ-Связь» (г. Омск, Россия)

1 alarmoren@yandex.ru, 2 evgstarovojtov@yandex.ru, 3 kolesnikov.radio@yandex.ru, 4 xferra@mail.ru

Постановка проблемы. В 2021 г. Национальным космическим агентством США NASA были опубликованы аудиоданные, анализ характеристик которых позволяет объяснить причины радиочастотных эффектов в радиосигналах, обнаруженных бортовыми антеннами космического аппарата «Parker» во время выполнения им гравитационного маневра около планеты Венера. Источниками радиосигнала являются солнечный ветер, выбросы ионов вместе с рабочим телом из двигателей коррекции, возбуждение элементов антенно-фидерного тракта. Четыре штыревые антенны космического аппарата, выступающие за пределы его теплозащитного экрана, измеряли колебания электрического поля в двух плоскостях, а пятая штыревая антенна определяла положение электрических колебаний в трехмерном пространстве. Поскольку эти антенны чувствительны к изменениям электрических свойств среды, зависящих от концентрации электронов и ионов, то удалось обнаружить несколько электрических неоднородностей вокруг планеты. Речь идет об эффектах усиления амплитуды, сдвига частоты и вторичной модуляции радиосигнала (радиочастотных эффектах).

Цель. Выполнить анализ возможных причин радиочастотных эффектов, возникающих в результате взаимодействия бортовых антенн космического аппарата «Parker» с электрическим и магнитным полями Венеры, и разработать предложения по улучшению технологий дальней космической связи.

Результаты. Установлено, что основными причинами радиочастотных эффектов в данном случае являются различия в комплексной диэлектрической проницаемости среды, линейное и нелинейное рассеяние энергии радиосигнала в антенно-фидер­ном тракте, динамика космического аппарата «Parker» при облете Венеры, а также ионы, выбрасываемые с различной скоростью двигателями при коррекции траектории. Отмечено, что в перспективе представляет большой интерес дополнить эти исследования радиоизмерениями в декаметровом и гектометровом диапазонах длин радиоволн. Для работы на этих частотах предложено использовать резонансные спиральные электрически малые антенны.

Практическая значимость. Полученные результаты позволяют понять взаимодействие бортовых антенн космических аппаратов с космической плазмой для планируемых в будущем космических программ, а также объяснить процессы, происходящие в ионосфере Венеры и других планет солнечной системы.

Николаев А.В., Старовойтов Е.И., Колесников А.В., Федосов Д.В., Бекишев Р.А. Анализ радиочастотных эффектов взаимодействия бортовых антенн космического аппарата «Parker» с ионосферой Венеры и применение электрически малых антенн в космической связи // Антенны. 2025. № 3. С. 46–59. DOI: https://doi.org/10.18127/j03209601-202503-05

1. NASA’s Parker Solar Probe discovers natural radio emission in Venus’ atmosphere – NASA.htm [Электронный ресурс] / URL: https://www.nasa.gov/science-research/heliophysics/nasas-parker-solar-probe-discovers-natural-radio-emission-in-venus-atmosphere/ (дата обращения: 19.02.2025).
2. Bale S.D., Goetz K., Harvey P.R. et al. The FIELDS instrument suite for Solar Probe Plus // Space Science Reviews. 2016. № 204. P. 49–82. DOI: 10.1007/s11214-016-0244-5.
3. Guo Y., Thompson P., Wirzburger J. Execution of Parker Solar Probe's unprecedented flight to the Sun and early results // Acta Astronautica. 2021. V. 179. P. 425–438. DOI: 10.1016/j.actaastro.2020.11.007.
4. Николаев А.В., Старовойтов Е.И., Криволуцкий А.А. и др. Об учете земной атмосферы при проектировании космических радиолиний с помощью модели CHARM-IONS // Гелиогеофизические исследования. 2023. № 40. С. 93–102. DOI: 10.5425/ 2304-7380_2023_40_93.
5. Чижевский А.Л. Космический пульс жизни: Земля в объятиях солнца. Гелиотараксия. М.: Мысль. 1995.
6. Криволуцкий А.А. Развитие идей влияния космоса на атмосферу и ионосферу // Сб. материалов IV Междунар. науч.-практич. конф., посвященной сохранению научного наследия и развитию идей А.Л. Чижевского «А.Л. Чижевский. Вклад в науку и культуру». Калуга: ИП Стрельцов И.А. (Эйдос). 2024. С. 87–90.
7. Криволуцкий А.А., Банин М.В., Черепанова Л.А. и др. Описание глобальной численной модели CHARM-DE при расчете профилей электронной концентрации в околоземном космическом пространстве // Гелиогеофизические исследования. 2023. № 37. С. 1–5. DOI: 10.5425/2304-7380_2023_37_1.
8. Намгаладзе А.А., Шаповалова Ю.А., Князева М.А. Исследование влияния смещения геомагнитных полюсов на термосферу и ионосферу Земли: постановка задачи // Труды Кольского научного центра РАН. 2018. Т. 9. № 5-4. С. 137–145. DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.5.137-145.
9. Мареев Е.А., Чугунов Ю.В. Антенны в плазме. Нижний Новгород: ИПФ АН СССР. 1991.
10. Delamere P.A., Lynch K., Lessard M., Pfaff R. Alfvén wave generation and electron energization in the KiNET-X sounding rocket mission // Physics of Plasmas. 2024. V. 31. № 11. DOI: 10.1063/5.0228435.
11. Слюсарь Н.М. Эффект вторичной модуляции радиолокационных сигналов. Минск: ВА РБ. 2005.
12. Щербаков Г.Н., Анцелевич М.А. Новые методы обнаружения скрытых объектов. М.: Эльф ИПР. 2011.
13. Цедрик М.В., Подлесный А.В. Использование антенн бегущей волны для приема сигналов наклонного зондирования ионосферы // Сб. трудов XXVII Всеросс. откр. науч. конф. «Распространение радиоволн». Калининград. 2021. С. 368–372.
14. Бочаров В.С., Генералов А.Г., Гаджиев Э.В. Разработка прямоугольной микрополосковой антенны метрового диапазона (150 МГц) для применения на космическом аппарате «Ионосфера» // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2013. Т. 136. № 5. С. 15–18.
15. Chu L.J. Physical limitations of omni-directional antennas // Journal of Applied Physics. 1948. V. 19. № 12. P. 1163–1175. DOI: 10.1063/1.1715038.
16. Volakis J., Chen Ch.-Ch., Fujimoto K. Small antennas: Miniaturization techniques & applications. McGraw-Hill. 2010.
17. Hansen R.C. Electrically small, superdirective, and superconducting antennas. John Wiley & Sons. 2006.
18. Вalanis C.A. Modern antenna handbook. John Wiley & Sons. 2008.
19. Слюсар В. 60 лет теории электрически малых антенн. Некоторые итоги // Электроника: наука, технология, бизнес. 2006. № 7. С. 10–19.
20. Wheeler H.A. Fundamental limitations of small antennas // Proc. of the IRE. 1947. V. 35. № 12. P. 1479–1488. DOI: 10.1109/ JRPROC.1947.226199.
21. Овсянников В.В. Электрически малые вибраторные, спиральные и петлевые антенны // Радиофизика и электроника. 2017. Т. 8 (22). № 1. С. 57–67.
22. Корчагин Ю.А., Саломатов В.П., Чернов А.А. Радиосвязь в проводящих средах. Новосибирск: Наука. Сиб. отделение. 1990.
23. Федосов Д.В., Николаев А.В., Колесников А.В. и др. Обзор способов организации подземной связи и перспективы использования диапазона средних волн в шахтах // Труды НИИР. 2022. № 1. C. 19–36. DOI: 10.34832/NIIR.2022.8.1.003.
24. Федосов Д.В., Колесников А.В., Николаев А.В. Существующие и перспективные антенные решения для связи в подземных горных выработках // Сб. материалов докл. Междунар. науч.-практич. конф. «Электронные средства и системы управления». 2020. № 1-1. С. 121–124.
25. Патент № 2758986 РФ. Способ изготовления катушки индуктивности / Д.В. Федосов, А.В. Колесников, О.В. Шевелев, П.В. Дмитриев. Опубл. 08.11.2021. Бюл. № 31.
26. Патент на полезную модель № 213264 РФ. Роботизированный станок для изготовления индуктивностей аддитивным способом / О.В. Шевелев, Д.В. Федосов, А.В. Колесников, П.В. Дмитриев, А.В. Николаев. Опубл. 02.09.2022. Бюл. № 25.
27. Николаев А.В., Федосов Д.В., Шевелев О.В. и др. Аддитивная технология изготовления катушек индуктивности для антенн перспективных радиосистем // Проблемы машиностроения и автоматизация. 2022. № 1. С. 85–90. DOI: 10.52261/02346206 _2022_1_85.
28. Колесников А.В. Эксплуатационные особенности малогабаритных антенных устройств СВ диапазона в рудниках и шахтах // Труды НИИР. 2021. № 4. С. 49–60. DOI: 10.34832/NIIR.2021.7.4.006.
29. Колесников А.В., Федосов Д.В., Николаев А.В. Моделирование резонансной спиральной электрически малой антенны // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2022. № 8. DOI: 10.30898/1684-1719.2022.8.13.
30. Колесников А.В. Исследование и разработка эффективных электрически малых антенн для каналов связи диапазона средних волн в горных выработках. Дисс. … канд. техн. наук. Омск. 2023.
31. Логунов А.А., Николаев А.В., Нуштаева В.С., Старовойтов Е.И. Методика расчета мощности сигнала в ионосферных линиях радиопередачи // Телекоммуникации и информационные технологии. 2024. Т. 11. № 2. С. 103–107.
32. Гаврик А.Л., Павельев А.Г., Гаврик Ю.А. Обнаружение ионосферных слоев в дневной ионосфере Венеры на высотах 80–120 км по результатам двухчастотного радиопросвечивания космическими аппаратами «Венера-15, -16» // Солнечно-земная физика. 2008. Т. 2. Вып. 12. С. 203–205.
33. Гаврик А.Л., Коломиец С.Ф., Илюшин Я.А. и др. Радиопросвечивание в миссии Венера-Д: концепция построения радиочастотных систем и усовершенствованные методики обработки результатов измерений // РЭНСИТ. 2019. Т. 11. № 1. С. 5–12. DOI: 10.17725/rensit.2019.11.005.
34. Гаврик А.Л. Неоднородности ионосферы Венеры по данным радиопросвечивания // Сб. материалов Всеросс. откр. науч. конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн». Муром: Муромский филиал ВГУ им. А.Г. и Н.Г. Столетовых. 2020. С. 129–133.
35. Гаврик А.Л. Погрешности определения электронной концентрации при решении обратной задачи радиопросвечивания дневной ионосферы Венеры // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018. № 9. DOI: 10.30898/1684-1719.2018.9.2.