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Analysis of Radio Frequency Blackout for a Blunt-Body Capsule in Atmospheric Reentry Missions

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Title: Analysis of Radio Frequency Blackout for a Blunt-Body Capsule in Atmospheric Reentry Missions
Authors: Takahashi, Yusuke Browse this author →KAKEN DB
Nakasato, Reo Browse this author
Oshima, Nobuyuki Browse this author
Keywords: atmospheric reentry
numerical analysis
radio frequency blackout
plasma flow
electromagnetic waves
Issue Date: 6-Jan-2016
Publisher: MDPI
Journal Title: Aerospace
Volume: 3
Issue: 1
Start Page: 2
Publisher DOI: 10.3390/aerospace3010002
Abstract: A numerical analysis of electromagnetic waves around the atmospheric reentry demonstrator (ARD) of the European Space Agency (ESA) in an atmospheric reentry mission was conducted. During the ARD mission, which involves a 70% scaled-down configuration capsule of the Apollo command module, radio frequency blackout and strong plasma attenuation of radio waves in communications with data relay satellites and air planes were observed. The electromagnetic interference was caused by highly dense plasma derived from a strong shock wave generated in front of the capsule because of orbital speed during reentry. In this study, the physical properties of the plasma flow in the shock layer and wake region of the ESA ARD were obtained using a computational fluid dynamics technique. Then, electromagnetic waves were expressed using a frequency-dependent finite-difference time-domain method using the plasma properties. The analysis model was validated based on experimental flight data. A comparison of the measured and predicted results showed good agreement. The distribution of charged particles around the ESA ARD and the complicated behavior of electromagnetic waves, with attenuation and reflection, are clarified in detail. It is suggested that the analysis model could be an effective tool for investigating radio frequency blackout and plasma attenuation in radio wave communication.
アブストラクト(日本語版) 欧州宇宙機関(ESA)における地球体再突入ミッションAtmospheric reentry demonstrator (ARD)に対して、電磁波伝播の数値解析を実施した。ARDはApolloコマンドモジュールの70%スケールダウンカプセル形状である。この再突入ミッションにおいて、ARDカプセルとデータ中継衛星および航空機との通信ブラックアウト・強いプラズマ減衰が観測された。ARDは軌道速度で再突入を行うため、カプセル前方に強い衝撃波が形成されプラズマが生じる。この通信電波の干渉は強いプラズマによって引き起こされたものである。本研究では、ARD前方の衝撃波と後方の後流におけるプラズマ流の諸量(電子数密度や温度など)について数値解析手法を用いて明らかにした。さらに、このプラズマ諸量に基づき、電磁波解析を実施した。ここで用いられた解析モデルに対して、再突入ミッションによって得られた実験データの比較を行い、その妥当性を評価した。ARD近傍のイオン・電子の分布と、減衰や反射を含む複雑な電磁波の振る舞いが詳細に明らかにされた。本解析モデルは再突入ミッションでの電波を用いたコミュニケーションにおいて、通信ブラックアウトやプラズマ減衰を評価する上で有効なツールになることが示された。
Type: article
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Submitter: 高橋 裕介

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