Результат интеллектуальной деятельности: Устройство коррекции погодных условий

Изобретение относится к области метеорологии и может найти применение в региональных Центрах МЧС для восстановления естественной циркуляции воздуха при зависании циклонов.

Энергия атмосферных процессов столь велика, что использование прямых методов воздействия на них с энергетической точки зрения невозможно. Основной принцип, который реализуется при активных методах воздействия на метеопроцессы, - это создание условий, выполняющих роль «спускового крючка» в запуске естественных лавинообразных процессов.

Для разрушения мощных циклонов, вызывающих стихийные бедствия (наводнения, торнадо) необходим источник, соизмеримый с ними по энергии. Таким источником является поток солнечной радиации. Энергия потока на границе космос-атмосфера составляет порядка ~1,5 кВт/м², отражая или фокусируя который, можно влиять на метеопроцессы. Между космосом и атмосферой на высотах от 80 до 420 км находятся ионосферные слои. Изменяя оптические свойства ионосферы, путем ее зондирования на частотах ниже критической (F<20 МГц), чтобы излучаемая мощность поглощалась ионосферой, можно регулировать мощность потока солнечной радиации в широких пределах. Известна «Антенна для зондирования ионосферы», патент RU 2504054, H.01.Q, 3/00, 2014 г. - аналог.

Антенна для зондирования ионосферы выполнена в виде двух, скрещенных в ортогональных плоскостях, ромбов, с длинами ребер 58 м одного и 26 м второго ромба, подвешенных на опорной мачте из композитного материала высотой 32 м, создающей геометрию главной диагонали ромбов и двух пар вспомогательных мачт, высотой 9 м, для подвески вторых углов ромбов, растяжек расчаливания механического крепления мачт из полимерного материала и жил токонесущих проводов ромбов, расположенных по образующим цилиндра в качестве излучателей антенны, нагруженных на общее сопротивление, согласованное для режима бегущих волн в излучателях, подключенное к многолучевому заземлителю, выполненному по параллельной схеме, для режима зеркального противовеса. Недостатками аналога следует считать:

- большие потери энергии, подводимой к антенне в согласованном для режима бегущих волн сопротивлении нагрузки (до 40%);

- высокий уровень боковых лепестков, снижающих энергетический потенциал радиолинии и коэффициент направленного действия антенны.

Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является «Способ коррекции погодных условий», патент RU №2568752, Н.01.Т 23/00, А.01.G, 15/00 - 2015 г. В способе ближайшего аналога осуществляют длительное воздействие на локальную область атмосферы тепловым лучом сфокусированного солнечного потока посредством оптической линзы многокилометровых размеров, создаваемой в ионосфере при воздействии на нее направленным лучом СВЧ излучения на частоте ниже критической, с изменяемой длиной волны и мощностью излучения для регулирования диэлектрической проницаемости ионосферы так, чтобы фокальная плоскость создаваемой линзы располагалась у поверхности Земли.

Устройство ближайшего аналога содержит радиопередатчик, работающий в режиме параметров излучения (частота, мощность, угол зондирования) для создания оптических линз в ионосфере, нагруженный на ромбическую антенну бегущих волн, образованную двумя скрещенными в ортогональных плоскостях ромбами с лучами (сторонами), для увеличения диапазонности выполненными в виде диполей Надененко, подвешенных на высокой мачте из композитного материала, выполняющей роль главной диагонали ромбов, вспомогательных мачт растяжки ромбов, общего волнового сопротивления, заземлителя, выполненного из стандартных свайных труб для создания в лучах ромбов режима зеркального отражения электромагнитного поля от поверхности Земли. Недостатками ближайшего аналога следует считать:

- большие потери СВЧ энергии, подводимой к антенне, в согласованном для режима бегущих волн сопротивлении, нагрузки;

- трудность реализации расчетных параметров оптических линз, создаваемых в ионосфере, при несимметричности осевой диаграммы направленности антенны из двух скрещенных ромбов с различными размерами ребер.

Задача, решаемая заявленным техническим решением, состоит в реализации точных параметров оптической линзы в слое F₂ ионосферы и увеличении энергетического потенциала радиолинии путем оптимизации параметров осесимметричной спиральной антенны.

Поставленная задача решается тем, что устройство коррекции погодных условий выполнено в виде спиральной антенны с осевой диаграммой направленности, ориентированной в верхнюю полусферу для вертикального зондирования слоя F₂ ионосферы в диапазоне волн 25…30 м, с длиной витка спирали ~30 м, числом витков 7, шагом витка 4,5 м, подвешенной на телескопических мачтах из композитного материала высотой 32 м, расчаленных растяжками, витки спирали закреплены на мачтах и изолированы от них силиконовыми изоляторами, с запиткой антенны от СВЧ передатчика с регулируемой частотой излучения, второй полюс источника питания передатчика подключен к заземлителю антенны, выполненному из винтовых труб, заглубленных в грунт, по радиально-кольцевой параллельной схеме в режиме зеркального противовеса.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - функциональная схема устройства;

фиг. 2 - плотность электронной концентрации в слоях ионосферы;

фиг. 3 - геометрические соотношения в тракте зондирования;

фиг. 4 - зависимость относительного изменения коэффициентов преломления от разности температур ионизированного газа;

фиг. 5 - силиконовые изоляторы крепления спиралей антенны на телескопических мачтах.

Устройство коррекции погодных условий фиг 1 содержит спиральную антенну 1 с диаграммой направленности 2, подключенную к СВЧ передатчику 3, питаемому от источника 4, обеспечивающую зондирование ионосферного слоя 5 (F₂) на частоте ниже критической, подвешенную на телескопических мачтах 6 из композитного материала, расчаленных растяжками 7, витки спиралей антенны 8 закреплены на мачтах и изолированы от них силиконовыми изоляторами 9, второй полюс источника питания 4 подключен к заземлителю 10, выполненному из винтовых труб 11, заглубленных в грунт по радиально-кольцевой параллельной схеме в режиме зеркального противовеса антенны.

Динамика функционирования элементов устройства состоит в следующем.

Из аналитического соотношения ближайшего аналога для комплексной диэлектрической проницаемости ионизированного газа следует, что наибольший диапазон ее изменения соответствует максимальным значениям плотности электронной концентрации N, где ω - частота зондирующего сигнала, υ - количество соударений молекул. Из графика фиг. 2 [см., например, «Космонавтика. Энциклопедия, под ред. В.П. Глушко, М., Изд. Энциклопедия, 1985 г., стр. 142] максимальная плотность электронной концентрации соответствует слою F₂ со значениями N[8…25]⋅10¹¹ 1/м³. Поэтому для эффективного регулирования диэлектрической проницаемости оптической линзы, создаваемой в ионосфере при ее зондировании на частоте ниже критической, следует воздействовать на слой F₂.

Локальному разогреву подвергается участок ионосферы, попадающий в створ диаграммы направленности источника высокочастотного облучения. Поскольку энергия облучения в каждой точке пространства повторяет кривизну диаграммы направленности, то и температура разогрева ионосферы в пространстве является зеркальным отображением формы диаграммы направленности. Диэлектрическая проницаемость, а с ней и коэффициент преломления участков ионосферы является функцией кривизны диаграммы направленности и мощности облучения. В первом приближении можно считать, что радиус кривизны создаваемых оптических линз зеркально отображает радиус кривизны диаграммы направленности антенны. Оптическая сила линзы (диноптрия) определяется радиусами сферических поверхностей (R₁, R₂) линзы и коэффициентов преломления среды n₁ и вещества линзы N₂ [см. Учебник по физике Л.С. Жданов, Физматгиз, М., 1983 г., стр. 393. Оптическая сила линзы и единица ее измерения]:

Геометрические соотношения в тракте зондирования иллюстрируются фиг. 3. Чтобы фокальная плоскость создаваемой линзы располагалась у поверхности Земли, должно выполняться соотношение: F≈h [высота слоя F₂ порядка 300 км]. Для критических частот зондирования выполняется соотношение ω²≤υ² [см., например, Г.А. Зисман, О.М. Тодес «Курс общей физики» учебник, Физматгиз, Изд. Наука, М., 1964 г., 25 «Число столкновений и длина свободного пробега молекул»]. В свою очередь количество соударений зависит от средней скорости молекул газа и длины свободного пробега. Поскольку средняя скорость движения молекул пропорциональна температуре: [см. там же, стр. 125], то количество соударений υ также пропорционально . В условиях глубокого вакуума и сверхнизких температур открытого космоса диэлектрическая проницаемость ионизированного газа меньше единицы. При интервале изменения (n₂-n₂) порядка 0,1 радиус кривизны создаваемой линзы должен составлять порядка 30 км. Из геометрических соотношений фиг. 3 следует, что радиусу кривизны диаграммы направленности 30 км ширина ее диаграммы по уровню половинной мощности составит: (2Θ_0,5)°≈23°.

Характер направленного действия спиральной антенны зависит от соотношения геометрических размеров витка спирали L и длины волны λ. Диаграмма направленности вдоль оси антенны представляется как произведение диаграммы направленности одного витка (F_витка~cosΘ) и множителя системы из n (число витков) ненаправленных излучателей: [см., например, А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, «Антенно-фидерные устройства», М., Сов. Радио, 1964 г., стр. 690-694]

где Θ - угол относительно оси спирали;

d - расстояние между витками;

k - волновое число, равное 2π/λ;

ξ - λ₁/λ₂, отношение длины волны в спиральной антенне к длине волны в свободном пространстве, обычно имеет порядок 1,1...1,4.

Исходя из рабочего диапазона частот (ниже критической частоты слоя F₂) и требуемой ширины диаграммы направленности, определены расчетные параметры спиральной антенны: длина витка спирали L=30 м, длина рабочей волны % [25…30] м, число витков n=7, шаг витка 4,5 м. Энергозатраты на разогрев ионосферы зависят от геометрического объема участка ионосферы, попадающего в створ диаграммы направленности антенны, и остаточного количества молекул на данной высоте ионосферного слоя. По результатам измерений на МКС, температура открытого космоса на высоте слоя ионосферы F₂ составляет T₁=(-200…-250)°С или (40…70) К. Остаточное количество молекул глубокого вакуума открытого космоса определяется барометрической формулой:

где р₀ - давление у поверхности Земли, n₀ - количество молекул в единице объема, у поверхности Земли. В одном моле любого газа содержится число Авогадро молекул 6,8⋅10²³. Количество молекул в м³ составляет n₀≈3⋅10²⁵ 1/м³.

Соответственно, на средней высоте слоя F₂ число молекул составит n(270 км)≈10¹¹ 1/м³.

Для перечисленных выше параметров антенны с шириной диаграммы направленности 2Θ=23° объем пространства зондирования в форме сегмента составляет: V≈2,5⋅10¹⁵ м³, а остаточное количество ионов в этом объеме составит ≈2,5⋅10²⁶ или 6 киломолей.

В соответствии с уравнением Менделеева-Клапейрона для нагревания любого газа на один градус необходимо затратить энергию ~2 ккал/кмоль град. Учитывая, что одна ккал эквивалентна 4,18 кДж работы, на разогрев ионосферного слоя на один градус необходимо потратить энергию 50 кДж.

Используя разложение в биноминальный ряд функции комплексной диэлектрической проницаемости ионизированного газа можно получить, что Зависимость относительного изменения коэффициента преломления создаваемой линзы от относительного изменения температуры нагретого и смежного слоев иллюстрируется фиг. 4.

Искомое образование оптической линзы происходит при значениях температур, превышающих на 0,1 температуру смежного слоя. В абсолютных значениях ∆T составляет порядок 10…20 К.

Абсолютные энергозатраты оцениваются величиной

50кДж⋅20 К=100 кДж.

Устройство реализовано на существующей технической базе. В качестве источника СВЧ может быть использован передатчик войсковой радиостанции Р-110.

Телескопические мачты подвески спиральной антенны из композитного материала высотой 32 м [см., например, Научно-производственное предприятие АпАТек, конструктивные профили, см. Internet, http://www.fundex.su/tehnologia-vintovyh-svaj/].

Эффективность устройства характеризуется возможностью создания у поверхности Земли теплового луча, сфокусированного солнечным потоком с энергией порядка 10⁹ кВт/м², способного (прожечь) испарить облачный покров зависшего циклона, вызвать течения в атмосфере и восстановить естественную циркуляцию атмосферных процессов.