Поршневая воронка с прорезями для калибровки прибора. Изображение предоставлено: Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения (2023). DOI: 10.1109/TMTT.2023.3277527
Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали прибор для измерения плотности пыли, поднимаемой при взаимодействии двигателей космического корабля с поверхностями планет во время приземления. Поскольку камеры и другие оптические устройства ослеплены плотными облаками пыли, прибор использует радар миллиметрового диапазона по-новому для точного измерения пыли и мусора.
Статья опубликована в журнале IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.
«Есть и другие методы измерения, но наш прибор имеет дело с своего рода «недостающей серединой». Кроме того, возможны несколько тысяч измерений в секунду», — сказал Николас Расмонт, доктор философии. Студентка факультета аэрокосмической техники.
«Наш прибор использует радар для генерации волн длиной 3,8 мм, или чуть более одной восьмой дюйма. Волна проходит через облако частиц, затем отражается, а затем снова улавливается нашим прибором, чтобы обнаружить присутствие частиц».
Расмонт сказал, что все начинается с знания того, что скорость света самая высокая в вакууме и движется медленнее, когда он взаимодействует с веществом, таким как стекло, вода или облако пыли. Он благодарит немецкого физика Густава Ми за разработку уравнения, позволяющего рассчитать, как свет ведет себя при столкновении с частицей.
«Поскольку миллиметровые волны намного крупнее пылинок, они распространяются через облако без каких-либо изменений, что делает его прозрачным для радаров», — сказал Расмонт. «Видимый свет, длина волны которого намного меньше, чем у пылинок, быстро рассеивается и поглощается, делая облако непрозрачным.
«Радарный передатчик и приемник позволяют нам с высокой точностью измерять время прохождения света между двумя точками. Частицы немного замедляют миллиметровые волны, а это означает, что существует небольшая разница во времени прохождения волны, проходящей через точку. Эту небольшую разницу во времени прохождения можно измерить, сравнивая две волны с помощью метода, называемого интерферометрией.
Прибор называется «Радарная интерферометрия для приземления выброса». Расмонт сказал, что впервые начал разработку RIFLE в 2020 году. «У нас была идея использовать миллиметровые волны и радар, но нам пришлось решать проблемы», — сказал он. «Нашей первой идеей было измерить поглощение облака: чем больше частиц находится на пути волны, тем непрозрачнее облако и тем слабее должен быть сигнал нашего радара».
Эта оригинальная концепция имела некоторые проблемы. «В ходе испытаний мы обнаружили, что облако не только поглощает волны, но также может действовать как линза и фокусировать волны на радаре. Как ни странно, более плотное облако может привести к более сильному сигналу, что делает измерения поглощения весьма трудными». Именно тогда нам пришла в голову идея использовать интерферометрию для измерения пыли вместо поглощения».
Взаимодействие облака с поверхностью при скорости 5 Маха, выброс облака. Фото предоставлено: Николя Расмонт
Расмонт сказал, что, хотя некоторые варианты радиолокационной интерферометрии используются в дистанционном зондировании для обнаружения небольших движений местности, его исследовательская группа, вероятно, первая применила их к плотным облакам частиц для гидродинамики. «Мы обнаружили, что это очень точный метод измерения концентрации частиц. После этого начался быстрый процесс разработки первого и второго раундов прототипов, а затем финальной итерации, которую мы сейчас имеем и подаем заявку на патент».
Чтобы убедиться, что их инструмент работает, они не просто полагались на формулу для расчета времени распространения волны, но и провели эксперимент по измерению времени прохождения между передатчиком и приемником для известного препятствия, используя оптический метод.
«Мы использовали щелевую воронку, чтобы создать тонкую завесу из известных концентраций пыли, камеру и источник света», — сказал Расмонт. «Камера может видеть тени частиц. А если у вас достаточно большое увеличение, вы сможете увидеть отдельные частицы и посчитать их тени. Если мы знаем концентрацию одной пылевой завесы, мы можем добавить больше завес и получить облако пыли известного размера и известной концентрации для калибровки радара.
«Хотя оптические методы измерения частиц полагаются на знание размера частиц, наши — нет», — сказал Расмонт. «А оптические методы измеряют только тысячи и миллионы частиц на кубический метр. В реальной жизни вам приходится измерять от миллиардов до триллионов — как очень плотные облака пыли после высадки на Луну».
Расмонт сказал, что эта работа была поддержана НАСА в рамках гранта «Будущие исследователи в области науки и технологий о Земле и космосе» (FINESST). Для лунного применения прибор можно установить между опорами космического корабля или развернуть во время спуска, чтобы он мог собирать данные о взаимодействии шлейфа с поверхностью до приземления космического корабля.
Расмонт сказал, что RIFLE имеет широкий спектр применения за пределами высадки на Луну. «Многие промышленные процессы включают смешивание или транспортировку порошков, таких как мука, зерно, катализаторы, уголь или другие химикаты, с жидкостью. Чтобы контролировать и понимать эти процессы, необходимо измерить концентрацию частиц в смеси, и это именно то, что предлагает наш прибор».
Информация от: Университетом Иллинойса в Урбана-Шампейн.
