International Science and Technology Journal

Home < Articles < Article Details

High-Frequency Electromagnetic Window for Mitigating Blackout-Induced by Plasma During Communication with Spacecraft (Re-Entry)

الملخص
في رحلات الفضاء الاستكشافية وأثناء عودة المركبة لسطح الارض وقبل دخولها الغلاف الجوي بسرعات تفوق سرعة الصوت تتعرض المركبة لانقطاع الاتصال بينها وبين مركز التحكم على الارض وذلك بسبب احتكاك الهواء مع سطح المركبة الفضائية ويصل الانقطاع احيانا الى 10 دقائق ويعتمد على زاوية دخول وشكل المركبة وخواص الطبقة الجوية. هذا الانقطاع يودي الى قطع الاتصال وفقد اشارات التحكم والتوجيه التي يرسلها مركز التحكم الموجود على الارض، وهذا يعتبر فترة حرجة وخطرة على المركبة وطاقمها .في هذه الورقة يتم استعمال نموذج Drude لحساب السماحية الكهربائية النسبية المعقدة لغلاف البلازما وتطوير نموذج محاكاة باستخدام برنامج ماتلاب لحساب معامل التوهين للموجات الكهرومغناطيسية بنطاق من 1 الى 300 جيجا هرتز باستخدام بيانات كثافة الإلكترونات الناتجة من تجارب الرحلة RAM-C التابعة لـ NASA في ظروف بلازما مختلفة تمثل مراحل متعددة من إعادة الدخول .أظهرت النتائج أن التوهين يبلغ ذروته عند نطاق S-band، ثم ينخفض بحدة بعد تجاوز تردد البلازما مُشكِّلاً نافذة ترددية واضحة عند الترددات العالية. وتُثبت هذه النتائج أن نطاقَي Ka-band وEHF يمثلان حلاً فعّالاً للحفاظ على الاتصال بين المركبة الفضائية ومحطة الأرض خلال مرحلة إعادة الدخول، إذ يوفران توهينا أقل بكثير مقارنة بنطاقَي S-band وKu-band............... الكلمات المفتاحية: ................غلاف البلازما؛ انقطاع الاتصالات؛ نطاق S-band ؛ إعادة الدخول؛ معامل التوهين.
Abstract
In space missions, when spacecraft travels back to Earth with hypersonic speed, it suffers loss of communications with the ground station, which is called communication blackout, due to the friction between its surface and the surrounding air forming the plasma sheath. This blackout blocks vehicle communications up to 10 minutes depending on the angle of re-entry, shape of vehicle and the atmosphere's properties. This blackout results in loss of control and guidance from the ground station, which is critical for crew safety and the vehicle. In this paper, we used the Drude model to calculate the complex relative permittivity of the plasma sheath, and developed a MATLAB simulation to compute the attenuation coefficient of electromagnetic waves ranging from 1 GHz to 300 GHz, using electron density data derived from NASA's RAM-C flight experiments under different plasma conditions to representing various re-entry phases. The results shows that the attenuation at its peak at S-band, and then drops sharply beyond plasma frequency forming a clear high-frequency window. The same drop with Ka, EHF bands. These findings demonstrate that Ka- band and EHF frequencies represent effective solution to maintain the communications between the spacecraft and ground station during re-entry, offering lower signal attenuation comparing to S and Ku bands................ Keywords:............... Plasma sheath; Communication blackout; Ka-band; Re-entry; Attenuation coefficient.