Magnetohydrodynamics enhanced radio blackout mitigation system for spacecraft during planetary entries

Abstract

(English) Spacecraft entering planetary atmospheres are enveloped by a plasma layer with high levels of ionization, caused by the extreme temperatures in the shock layer. The charged particles in the plasma interact with electromagnetic waves emitted by onboard antennas, resulting in communication and tracking difficulties during flight and causing radio communication blackouts that can last several minutes. The magnetic field alleviation technique is a proposed solution to reduce the plasma layer effects on radio signal propagation. This technique involves superimposing a magnetic field onto the plasma flow, transforming it into an anisotropic medium and altering its refractive index. This enables the creation of an extraordinary wave capable of propagating at plasma frequencies higher than the radio signal frequency. The Horizon 2020 Magnetohydrodynamic Enhanced Entry System for Space Transportation (MEESST) project aims to design and test a high-temperature superconducting (HTS) magnet to mitigate radio communication blackout and reduce surface heat flux. This research focuses on the experimental study of the radio communication blackout phenomenon and its mitigation using an applied magnetic field, in the VKI plasma wind tunnel. A tailored communication system, designed to accommodate the ionization levels encountered in ground testing, is developed and fully characterized in the UPC anechoic chamber. The results are divided into three main parts, each addressing a specific research question. The first part is dedicated to studying signal propagation in a plasma flow. Both air and CO2 plasma flows are characterized using emission spectroscopy. Radial temperature profiles are derived from the intensity of an oxygen atomic line, while electron number density profiles are determined from the Stark broadening of the Hb line. Radio signal magnitude profiles are measured in various configurations (side-to-side and stagnation) across a frequency range of 33 GHz to 40 GHz, under a wide range of testing conditions. Attenuation and Faraday rotation caused by the plasma are estimated, and the results show a strong correlation with the measured plasma frequencies. The second part examines the effects of an applied magnetic field on the plasma flow and radio signal propagation. The probe houses the HTS magnet, which can generate a maximum magnetic flux density of approximately 0.45 T at the front of the antenna. Characterization of the magnetized air plasma flow reveals an increase in radiance, stagnation heat flux, and plasma temperature and frequency, attributed to the applied magnetic field. The higher electron density near the antenna and the increased attenuation of the extraordinary wave result in negligible differences in signal attenuation profiles. However, changes are observed in the reflection coefficient depending on the magnetic field strength, and in the Faraday rotation depending on the field direction. The third part explores methods to duplicate flight conditions in ground facilities, concerning aerothermochemistry and radio communication blackout. A relevant condition related to radio blackout during the ARD reentry flight is selected, at an altitude of 60.6~km. The shock layer around an ARD model is replicated in the JAXA HIEST shock tunnel. The condition is numerically simulated for both flight and ground scenarios, highlighting the limitations of the binary scaling methodology. For the same flight condition, the local heat transfer simulation methodology is applied and tested in the Plasmatron facility, successfully replicating the same flow conditions. Finally, the electron number density profiles from both facilities are compared with those from flight.

(Català) Les naus espacials que entren en atmosferes planetàries queden envoltades per una capa de plasma amb alts nivells d’ionització, generada per les temperatures extremes de la capa de xoc. Les partícules carregades del plasma interactuen amb les ones electromagnètiques emeses per les antenes de bord, fet que provoca dificultats en la comunicació i el seguiment durant el vol, causant apagades de les comunicacions per ràdio que poden durar diversos minuts. La tècnica d’atenuació per camp magnètic és una solució proposada per reduir els efectes de la capa de plasma en la propagació dels senyals de ràdio. Aquesta tècnica consisteix a superposar un camp magnètic al flux de plasma, convertint-lo en un medi anisòtrop i modificant-ne l’índex de refracció. Això permet generar una ona extraordinària capaç de propagar-se a freqüències de plasma superiors a la freqüència del senyal de ràdio. El projecte Horizon 2020 MEESST ha tingut com a objectiu dissenyar i provar un imant superconductor d’alta temperatura (HTS) per mitigar les apagades de les comunicacions per ràdio i reduir el flux de calor superficial. Aquesta recerca se centra en l’estudi experimental del fenomen de l’apagada de les comunicacions per ràdio i la seva mitigació mitjançant un camp magnètic aplicat, realitzat al túnel de vent de plasma. Per aquest motiu, s’ha dissenyat un sistema de comunicacions a mida, adaptat als nivells d’ionització observats en proves terrestres, i s’ha caracteritzat completament a la cambra anecoica. Els resultats es divideixen en tres parts, cadascuna abordant una qüestió de recerca específica. La primera part se centra en l’estudi de la propagació del senyal en un flux de plasma. Es caracteritzen fluxos de plasma d’aire i CO2 mitjançant espectroscòpia d’emissió. Els perfils radials de temperatura es determinen a partir de la intensitat d’una línia atòmica de l’oxigen, mentre que les densitats d’electrons s’obtenen a partir de l’eixamplament Stark de la línia Hβ. Els perfils de magnitud del senyal de ràdio es mesuren en diverses configuracions (banda a banda i estancament) en un interval de freqüències entre 33 GHz i 40 GHz, per a una àmplia gamma de condicions d’assaig. S’estimen l’atenuació i la rotació de Faraday causades pel plasma, i els resultats presenten una bona correlació amb les freqüències de plasma mesurades. La segona part analitza els efectes d’un camp magnètic aplicat sobre el flux de plasma i la propagació del senyal de ràdio. La sonda incorpora l’imant HTS, capaç de generar una densitat de flux magnètic màxima d’aproximadament 0,45 T a la part frontal de l’antena. La caracterització del flux de plasma d’aire magnetitzat revela un augment de la radiància, del flux de calor en el punt d’estancament, i de la temperatura i freqüència del plasma, a causa del camp magnètic aplicat. L’increment de les densitats d’electrons a les proximitats de l’antena i l’atenuació més gran de l’ona extraordinària generen diferències petites i difícils de detectar en els perfils d’atenuació del senyal, però sí que es produeix un canvi en el coeficient de reflexió, dependent de la intensitat magnètica, i en la rotació de Faraday, dependent de la direcció. La tercera part aborda diferents mètodes per reproduir una condició de vol en instal·lacions terrestres. Es selecciona una condició rellevant relacionada amb l’apagada de les comunicacions per ràdio durant el vol de reentrada de l’ARD, a una altitud de 60,6 km. La capa de xoc al voltant d’un model ARD es reprodueix al túnel de xoc HIEST. Aquesta condició es simula numèricament tant per al vol com per a les proves terrestres, posant en relleu les limitacions de la metodologia d’escalat binari. Per a la mateixa condició de vol, s’aplica la metodologia de simulació de transferència de calor local i es prova a la instal·lació Plasmatron, aconseguint reproduir amb èxit la capa límit de vol. Finalment, es comparen els perfils de densitat d’electrons obtinguts a les dues instal·lacions amb els del vol.

(Español) Las naves espaciales que entran en atmósferas planetarias quedan rodeadas por una capa de plasma con altos niveles de ionización, causada por las temperaturas extremas de la capa de choque. Las partículas cargadas del plasma interactúan con las ondas electromagnéticas emitidas por las antenas, lo que genera dificultades en la comunicación y el seguimiento durante el vuelo, provocando apagones en las comunicaciones por radio que pueden durar varios minutos. La técnica de atenuación por campo magnético es una solución propuesta para reducir los efectos de la capa de plasma en la propagación de las señales de radio. Esta técnica consiste en superponer un campo magnético al flujo de plasma, transformándolo en un medio anisótropo y modificando su índice de refracción. De este modo, se genera una onda extraordinaria capaz de propagarse a frecuencias de plasma superiores a la frecuencia de la señal de radio. El proyecto MEESST ha tenido como objetivo diseñar y probar un imán superconductor de alta temperatura (HTS) para mitigar los apagones de las comunicaciones por radio y reducir el flujo de calor superficial. Esta investigación se centra en el estudio experimental del fenómeno de los apagones de las comunicaciones por radio y su mitigación mediante un campo magnético aplicado, llevado a cabo en el túnel de viento de plasma. Se ha diseñado un sistema de comunicaciones a medida, adaptado a los niveles de ionización observados en pruebas terrestres, y se ha caracterizado completamente en la cámara anecoica. Los resultados se dividen en tres partes, cada una abordando una cuestión de investigación específica. La primera parte se dedica al estudio de la propagación de la señal en un flujo de plasma. Se caracterizan los flujos de plasma de aire y CO2 mediante espectroscopia de emisión. Los perfiles radiales de temperatura se determinan a partir de la intensidad de una línea atómica de oxígeno, mientras que las densidades de electrones se obtienen mediante el ensanchamiento Stark de la línea Hb. Los perfiles de magnitud de la señal de radio se miden en diferentes configuraciones en un rango de frecuencias entre 33 y 40 GHz. Se estiman la atenuación y la rotación de Faraday causadas por el plasma, y los resultados muestran una buena correlación con las frecuencias de plasma medidas. La segunda parte analiza los efectos de un campo magnético aplicado sobre el flujo de plasma y la propagación de la señal de radio. La sonda incorpora el imán HTS, capaz de generar una densidad de flujo magnético máxima de aproximadamente 0,45 T en la parte frontal de la antena. La caracterización del flujo de plasma de aire magnetizado revela un aumento del flujo de calor en el punto de remanso, y de la temperatura y frecuencia del plasma, debido al campo magnético aplicado. El incremento de las densidades de electrones cerca de la antena y la mayor atenuación de la onda extraordinaria generan diferencias mínimas, difícilmente detectables, en los perfiles de atenuación de la señal. Sin embargo, se observa un cambio en el coeficiente de reflexión, dependiente de la intensidad magnética, y en la rotación de Faraday, dependiente de la dirección del campo. La tercera parte aborda diferentes métodos para reproducir una condición de vuelo en instalaciones terrestres. Se selecciona una condición relevante relacionada con el apagón de las comunicaciones por radio durante el vuelo de reentrada del ARD. La capa de choque alrededor de un modelo ARD se reproduce en el túnel de choque HIEST. Esta condición se simula numéricamente tanto para el vuelo como para las pruebas terrestres, destacando las limitaciones de la metodología de escalado binario. Para la misma condición de vuelo, se aplica la metodología de simulación de transferencia de calor local y se prueba en la instalación Plasmatron, logrando reproducir con éxito la capa límite de vuelo. Finalmente se comparan los perfiles de densidad de electrones obtenidos en ambas instalaciones con los del vuelo.