Щелевая воронка с поршневым приводом, используемая для калибровки прибора. Кредит: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (2023). DOI: 10.1109/TMTT.2023.3277527
---------------

«Существуют и другие методы измерения, но наш прибор решает своего рода «недостающую середину». Он применим к облакам частиц, которые слишком плотны для оптических измерений, но слишком тонки для современных непрозрачных многофазных методов, таких как рентген или МРТ. Он также способен выполнять несколько тысяч измерений в секунду», — сказал Николас Расмонт, аспирант кафедры аэрокосмической техники.

«Наш прибор использует радар для генерации волн с длиной волны 3,8 мм, что составляет чуть больше одной восьмой дюйма. Волна проходит через облако частиц, затем отражается, а затем снова улавливается нашим прибором для обнаружения присутствия частиц».

Расмонт сказал, что все начинается с того, что известно, что скорость света самая высокая в вакууме и он движется медленнее, когда взаимодействует с материей, например, со стеклом, водой или облаком пыли. Он отдает должное немецкому физику Густаву Ми за разработку уравнения для расчета того, как свет ведет себя, когда сталкивается с частицей.

«Поскольку миллиметровые волны намного больше, чем частицы пыли, они проходят сквозь облако, не затрагиваясь им, делая его прозрачным для радара», — сказал Расмонт. «Видимый свет, длина волны которого намного меньше, чем у частиц пыли, быстро рассеивается и поглощается, что делает облако непрозрачным.

«С помощью излучателя и приемника радара мы можем с высокой точностью засекать время прохождения света между двумя точками. Частицы слегка замедляют миллиметровые волны, что означает, что существует небольшая разница во времени пролета между волной, проходящей через облако частиц, и волной, проходящей в вакууме. Эту небольшую разницу во времени пролета можно измерить, сравнивая две волны вместе, используя метод, называемый интерферометрией».

Инструмент называется Radar Interferometry For Landing Ejecta. Расмонт сказал, что он впервые начал разрабатывать RIFLE в 2020 году. «У нас была идея использовать миллиметровые волны и радар, но нам пришлось проработать изломы», — сказал он. «Наша первая идея состояла в том, чтобы измерить поглощение облака: чем больше частиц на пути волны, тем непрозрачнее облако и тем слабее должен быть наш радарный сигнал».

Эта первоначальная концепция имела некоторые проблемы. «Во время тестирования мы обнаружили, что облако не только поглощает волны, но и может действовать как линза, фокусируя волны в направлении радара. Вопреки интуиции, более плотное облако может привести к более сильному сигналу, что делает измерения поглощения довольно неточными. Тогда у нас возникла идея использовать интерферометрию для измерения пыли вместо поглощения».

Взаимодействие шлейфа и поверхности со скоростью 5 Маха. Облако выброса. Фото: Николас Расмонт
--------------

Расмонт сказал, что хотя некоторые варианты радиолокационной интерферометрии используются в дистанционном зондировании для обнаружения небольших движений рельефа, его исследовательская группа, вероятно, первая применила ее к плотным облакам частиц для динамики жидкости. «Мы обнаружили, что это очень точный способ измерения концентрации частиц. С этого момента началась спешка с разработкой первого и второго раунда прототипов, а затем и финальной итерации, которая есть у нас сейчас и которая подается на патент».

Чтобы убедиться в работоспособности своего прибора, они не стали полагаться исключительно на формулу для расчета времени пролета волны, а провели эксперимент по измерению времени пролета между излучателем и приемником при наличии известного препятствия с использованием оптического метода.

«Мы использовали щелевую воронку для создания тонкой завесы известных концентраций пыли, камеру и источник света», — сказал Расмонт. «Камера может видеть тени частиц. И если у вас достаточно большое увеличение, вы можете видеть отдельные частицы и подсчитывать их тени. Зная концентрацию для одной завесы пыли, мы могли бы добавить больше завес и иметь облако известного размера и известной концентрации для калибровки радара.

«В то время как оптические методы измерения частиц полагаются на знание размера частиц, наши этого не делают», — сказал Расмонт. «И оптические методы измеряют только от тысяч до миллионов частиц на кубический метр. В реальной жизни вам нужно измерять от миллиардов до триллионов — как очень плотные столбы пыли при посадке на Луну».

Расмонт сказал, что эта работа была поддержана NASA через стипендию Future Investigator in Earth and Space Science and Technology (FINESST). Для лунного применения прибор может быть установлен между опорами космического корабля или развернут в процессе спуска, чтобы он мог собирать данные о взаимодействии поверхности шлейфа до посадки космического корабля.

Расмонт сказал, что RIFLE имеет широкий спектр применения за пределами лунных высадок. «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, нужно измерять концентрацию частиц в смеси, что и обеспечивает наш прибор».

Университет Иллинойса в Урбане-Шампейне