Исследования в ионосфере электромагнитных параметров космической погоды в эксперименте "Обстановка (1 этап)" на российском сегменте МКС

Более чем 10-летний опыт работы орбитальной станции (ОС) «Мир» свидетельствует о том, что ОС, в т. ч. и Международная космическая станция (МКС), могут использоваться для систематического измерения (мониторинга) ряда физических параметров и изучения процессов, оказывающих (или в перспективе могущих оказать) существенное влияние на окружающую среду — среду обитания человека.

Орбиты ОС проходят по околоземной части космического пространства, называемой ионосферой и находящейся между магнитосферой и атмосферой. Важными характеристиками ионосферы является наличие плазмы и земного магнитного поля. Благодаря относительно высокой, по отношению к другим областям околоземного космического пространства, концентрации плазмы, ионосфера является важным звеном в энергетическом процессе солнечно-магнитосферно-атмосферных связей.

Магнитосфера Земли является своеобразным экраном, защищающим человека от проникновения высокоэнергичных (радиационных) частиц космического и солнечного происхождения. Ионосфера, так же как и в более сильной степени атмосфера, защищает человека от губительного (в больших дозах) ультрафиолетового излучения. Знание процессов, способных перестроить структуры магнито- и ионосферы, т. е. знание космической погоды, жизненно необходимо для человечества. Ряд этих процессов определяется 11- и 22-летними циклами солнечной активности, что требует, соответственно, длительных непрерывных наблюдений, т. е. мониторинга.

Активность Солнца и его излучений (солнечный ветер, корональные выбросы массы и др.) отражается в возмущениях магнитного поля Земли (геомагнитные бури и суббури) и ионосферы. Эти возмущения генерируют электрические поля, которые могут приводить к крупномасштабной конвекции плазмы в ионосфере и изменению её параметров. Высокая чувствительность плазмы к различного рода возмущениям способствует также генерации широкого спектра электромагнитных излучений в диапазоне частот от долей герц до десятков мегагерц.

Наряду с этим в формирование космической погоды вносят вклад возмущения, пришедшие в окружающее космическое пространство с поверхности Земли и имеющие как природное (землетрясения, извержения вулканов, тайфуны и т. д.), так и антропогенное (промышленные электромагнитные из- лучения и газы, техногенные катастрофы и т. д.) происхождение. Эффекты, связанные с излучениями линий электро- передач, усиливаются с увеличением потребления электроэнергии в мире (2 000 ТВт в 1955 г., 12 000 ТВт в 1992 г.). С тех пор, как в 1930-х гг. был открыт нагрев ионосферы радиоизлучением (эффект Люксембурга), стало ясно, что антропогенные возмущения ионосферы нельзя игнорировать.

Передатчики, используемые в радионавигации (в диапазонах 4…20 кГц и 20 кГц…2 МГц), также нагревают ионосферу и изменяют естественные параметры плазмы.

Получение новых данных об электромагнитных параметрах ионосферной плазмы необходимо для уточнения моделей ближнего космоса в той его области, где, в частности, осуществляются долгосрочные полёты с человеком на борту.

Данные о космической погоде, т. е. о текущем и прогнозируемом состояниях ионосферы, необходимы также для групп, управляющих работой прикладных космических аппаратов (КА) на орбите с целью обеспечения их долговременной активной работы. Например, используя прогноз сильных магнитосферных возмущений, некоторые КА будут заблаговременно переводиться в щадящий режим функционирования бортовой аппаратуры. Опыт свидетельствует о том, что в ряде случаев такие возмущения достигали значений, приводящих к выходу из строя отдельных приборов и систем.

Цели космического эксперимента «Обстановка (1 этап)»

Целями научной программы космического эксперимента (КЭ) «Обстановка (1 этап)» являлись:

• •    долгосрочные мониторинговые измерения параметров ионосферной плазмы и исследования плазменно-волновых процессов, связанных с проявлением

в ионосфере солнечно-магнитосферноионосферных и ионосферно-атмосферных связей;

• •    исследования плазменно-волновых процессов взаимодействия с ионосферой сверхбольшого КА, каким является МКС. Исследования проводились на основе измерений электрических и магнитных полей, токов в приповерхностной зоне Российского сегмента (РС) МКС, которые определяются параметрами окружающей космической плазмы и характером взаимодействия материалов поверхности КА с внешней средой;

• •    обеспечение экологического низкочастотного (<15 МГц) электромагнитного мониторинга возмущений в окружающей среде на базе технических и аппаратурных средств, отработанных в предшествующих КЭ [1–3] и осуществляющих плазменно-волновые измерения на КА по программам фундаментальных исследований солнечноземных связей [4, 5];

• •    создание базы экспериментальных данных по электромагнитному состоянию ионосферы Земли для выявления и предотвращения её катастрофических изменений;

• •    развитие методик для обеспечения долгосрочного экологического электромагнитного мониторинга возмущений в космической среде за счёт длительного нахождения МКС в наиболее активной области ионосферы — F 2-слое [6, 7].

Измеряемые параметры

Космический эксперимент «Обстановка (1 этап)» проводился с помощью плазменно-волнового комплекса (ПВК) научной аппаратуры, разработанного на основе приборов, успешно использовавшихся ранее ИКИ РАН с участием международной кооперации при проведении фундаментальных исследований в космосе. Основой волновых измерений в КЭ является комбинированная волновая диагностика (КВД) [2], которая позволяет в широком диапазоне частот, включая и постоянные поля, исследовать мощность электромагнитных, электростатических и магнитных полей, а также спектр флуктуаций частиц плазмы.

В результате измерений комплекса физических параметров и их бортовой и наземной обработки определялись следующие параметры плазмы и окружающих электромагнитных полей:

• •    спектральная плотность магнитной компоненты электромагнитных излучений Н в диапазоне 0,01…40 кГц (две компоненты);

• •    спектральная плотность магнитной компоненты электромагнитных излучений Н в диапазоне 0,1…15,0 МГц (три компоненты);

• •    спектральная плотность флуктуаций плотности тока J в диапазоне 0,01…40 кГц (две компоненты);

• •    спектральная плотность электрической компоненты электромагнитных излучений Е в диапазоне 0,01…40 кГц (одна компонента);

• •    спектральная плотность электростатических плазменных волн и электрической компоненты электромагнитных излучений E в диапазоне 0,1…15 МГц (три компоненты);

• •    вектор напряжённости постоянного магнитного поля B (+/–50 000 нТл);

• •    напряжённость квазистационарного электрического поля E (+/–10 В/м);

• •    потенциал «земляной» точки ОС относительно плазмы ϕ (0…200 В);

• •    параметры N_e , N_i , T_e , T_i тепловой плазмы.

Комплекс физических параметров, измеренных ПВК в процессе реализации КЭ «Обстановка (1 этап)», позволил исследовать широкий круг физических явлений в приповерхностной зоне МКС, а также следующих явлений и процессов, недостаточно экспериментально исследованных:

• •    крупномасштабной структуры ионосферы;

• •    пространственных флуктуаций ионосферных электромагнитных параметров космической погоды;

• •    террагенного воздействия на ионосферу [8, 9];

• •    электромагнитной обстановки в приповерхностной зоне служебного модуля (СМ) РС МКС.

Плазменно-волновой комплекс

Разработка ПВК проводилась с учётом требования непрерывной долговременной работы для возможности исследования структуры взаимодействия МКС с окружающей средой, в т. ч. с её плазменной и нейтральной компонентами, в процессе изменения конфигурации МКС.

Непрерывная работа ПВК была необходима и для исследования орбитальных, суточных и сезонных вариаций процессов взаимодействия, а также для длительных непрерывных наблюдений за параметрами космической погоды.

Назначением комплекса ПВК являлись получение, сбор и передача на Землю данных о параметрах тепловой плазмы, электрических и магнитных полей, электромагнитных волн около поверхности и в ближней зоне МКС (не далее 2 м от поверхности). Для обеспечения измерений в состав ПВК входили следующие приборы:

• •    трёхкомпонентные датчики постоянного геомагнитного поля (ДФМ-1 и ДФМ-2);

• •    однокомпонентные волновые зонды переменных магнитного и электрического полей (КВЗ-1 и КВЗ-2) в диапазоне частот 0,01–25 000 Гц;

• •    однокомпонентные волновые зонды электрического поля (ДП-1 и ДП-2);

• •    датчики потока «холодной» плазмы (ЗЛ-1 и ЗЛ-2) для измерений её плотности и температуры;

• •    корреляционный спектрометр электронов (КОРЕС);

• •    радиочастотный анализатор (РЧА);

• •    цифровой спектральный анализатор (ШАШ-3).

Частотные диапазоны измеряемых приборами параметров представлены на рис. 1.

е (10-Ю4 knB j«M

11, 6 6W<56<46666<46<4666

9ЮК4ЮНЖЖММ

>»»»»»»>

J     ««««««« ttm»ti»*t,t г»» fttfMr^OO Гц ф      »»>»»»» >

1OIW<<<<<<<<<<<<<< моКОРЕС м«ЗЛ2 м»ЗЛ1

:::ДП2 ;;ДШ

100 гГ# АЛЛАХ) МГн

ЛААДА ЛАААА

4Л*Р ЧА-АД

#тч.х am

+MKB1U

»»»»»»-' '40 кГ» «««««««

Н****П******                       Ititititiffi

V                               ТтПлпТтл

**«D^w*“*3«rn             WNtMN#

>»КВ32

«<КВ31

***ДФМ1,ДФМ2

1—Г---1---1---1---1---1---1---1

10ч 1    10   103  105  10*  10!  106  ю’ Гц

£2                <он ио

Рис. 1. Частотные диапазоны измеряемых приборами ПВК физических параметров во всём диапазоне плазменных частот в ионосфере

Новизна разработок ПВК. Особенностью плазменно-волновых исследований является то, что для полно- го описания процессов генерации и распространения электромагнитных волн в проводящей дисперсионной среде, которой является ионосферная плазма, необходимы прямые измерения трёх векторов [4, 5]:

• •    напряжённости магнитного поля Н;

• •    напряжённости электрического поля Е;

• •    плотности тока J.

Традиционно в плазменно-волновых КЭ измерялись только компоненты Н и Е (во многих экспериментах только одна или две), при этом область частот в единицы герц, находящаяся на границе квазипостоянного (DC < 1 Гц) и переменного (AC > 10 Гц) диапазонов, практически не исследовалась. Прямые измерения J ранее были проведены с помощью щелевого зонда Ленгмюра только в одном ракетном эксперименте. Таким образом, возникла необходимость объединения указанных измерений, что было реализовано при разработке ПВК с помощью практически нового метода — комбинированной волновой диагностики (КВД). Используя этот метод, измерения трёх компонент электромагнитного поля (Н, Е и J) были впервые осуществлены в ионосферной плазме с помощью одного датчика — комбинированного волнового зонда (КВЗ), конструктивно объединяющего три датчика флуктуаций (1…2·104 Гц): напряжённости магнитного поля Н, напряжённости электрического поля Е и плотности тока J.

Применение в ПВК помимо зонда КВЗ датчиков других типов позволило проводить одновременные измерения физических параметров во всём диапазоне плазменных частот в локальной зоне ионосферы (рис. 1).

Отработка конструкций и развитие метода КВД осуществлялись на КА «Космос-484, -721», «Интеркосмос-10», «Прогноз-8, -10», «Вега-1,-2», «Фобос-1, -2», «Интербол-1».

Использование указанного метода в КЭ «Обстановка (1 этап)» позволило обеспечить:

• •    значительное сокращение длины штанг, необходимых для выноса датчиков

от поверхности;

• •    единую измерительную систему координат, что не потребовало разработки

специального программного обеспечения при обработке данных;

• •    высокую электромагнитную совместимость датчиков, что обеспечило их высокую чувствительность и широкий динамический диапазон (>100 дБ).

Компоновка ПВК. Конструктивно комплекс ПВК делится на три основные части в соответствии с тремя рабочими местами, организованными на СМ для размещения комплекса и выполнения условий проведения КЭ: два плазменноволновых комплекса ПВК-1, ПВК-2 и блок хранения, обработки и передачи телеметрической информации (БХТИ).

Два рабочих места представляют собой платформы (механические адаптеры) с крепёжными замками, предназначенными для работы космонавтов при выходе в открытый космос. Платформы монтируются на правом и левом поручнях СМ. Штанги с датчиками и первичными преобразователями (ПП) установлены на платформах и направлены в надир. Третье рабочее место было предусмотрено в рабочей зоне гермоотсека СМ.

На платформах также устанавливаются блоки КВД-1 и КВД-2 с некоторыми из датчиков, всеми вторичными преобразователями (ВП) и блоками опроса научных приборов.

На рис. 2 приводится общая структурная схема ПВК.

Рис. 2. Структурная схема ПВК. Расшифровка аббревиатур приводится в тексте

В целях разделения процессов, происходящих непосредственно на внешней поверхности МКС и в её ближней зоне, часть датчиков устанавливается как на штангах, так и непосредственно на блоках КВД-1, КВД-2. В блоке КВД-1 размещается моноблок (вместе с датчиком) прибора ДФМ-1; в блоке КВД-2 — моноблок (вместе с датчиком) прибора ДФМ-2. Датчик ЗЛ-ПП и моноблок прибора КОРЕС размещаются на верхней крышке блока КВД-2.

Для изучения процессов изменения физико-химических параметров материалов датчика потенциалов ДП-ПП в условиях экспонирования вне МКС на крышке КВД-1 установлен блок исследования поверхностных свойств ДП-ПМ. В его состав входят образцы конструктивных материалов датчика ДП-ПП. Через полтора года работы ПВК на орбите блок ДП-ПМ был возвращён на Землю для определения корректирующих параметров, вводимых в алгоритмы обработки данных приборов ДП и ЗЛ.

Вторичные преобразователи датчиков формируют с помощью собственных процессоров поступающие от первичных преобразователей сигналы в электрические параметры, которые передаются в устройство приёма и управления телеметрической информацией (ТМИ) ДАКУ-1 и ДАКУ-2 для формирования общего потока данных и передачи его в БХТИ. Затем из БХТИ информация поступает в бортовые телеметрические системы СМ РС МКС: ТМ ИУС (Ethernet) и ТМ БИТС.

Вторичные преобразователи формируют ТМ-параметры в виде:

• •    цифровых массивов приборов ДП-ПП, ДФМ-2, ЗЛ-ПП, КОРЕС, РЧА;

• •    аналоговых сигналов приборов ДФМ-1, КВЗ-ПП.

Аналоговые сигналы от двух комплектов КВЗ-ПП поступают в спектроанализатор ШАШ-3, который выдаёт цифровые массивы, минуя ДАКУ, непосредственно в БХТИ по интерфейсу Ethernet, что позволяет передавать большие объёмы информации.

Для длительного (~6 мес) сбора и хранения ТМИ в состав БХТИ конструктивно входят сменные накопители информации (СНИ — жёсткий диск), которые заменялись и возвращались на Землю два раза в год.

Для обеспечения рабочего температурного режима вторичных преобразователей в каждом из блоков КВД-1, КВД-2 (негерметичные) предусмотрены автоматизированные системы обеспечения температурного режима (АСОТР).

Параметры температуры внутри каждого КВД-1 и КВД-2 телеметрируются через ДАКУ-1, ДАКУ-2 и БХТИ, а также напрямую в БИТС-2-12.

Научная кооперация эксперимента «Обстановка (1 этап)»

Научные и информационные приборы ПВК изготовлялись коллективами, имеющими большой положительный опыт в разработке приборов и проведении исследований плазменно-волновых процессов в ионосфере и магнитосфере Земли. Так, устройства БХТИ, ДАКУ-1 и ДАКУ-2, обеспечивающие сбор, хранение и передачу информации на борт МКС, изготовлялись Вигнеровским научным центром Венгерской академии наук. Магнитометр ДФМ-1 был изготовлен в ИКИ РАН. Цифровой спектральный анализатор ШАШ-3 изготовила Венгерская фирма БЛ-Электроникс. Зонды Ленгмюра, датчики потенциала и образцы материалов (ЗЛ-1, ЗЛ-2, ДП-1, ДП-2, ДП-ПМ) изготовлены в Институте космических исследований и технологии Болгарской академии наук. Корреляционный спектрометр электронов КОРЕС изготовлен в университете Сассекса (Великобритания). Радиочастотный анализатор РЧА изготовлен в Центре космических исследований Польской академии наук. Комбинированные волновые зонды КВЗ-1, КВЗ-2 и магнитометр ДФМ-2 изготовлены в Львовском центре Института космических исследований НАНУ/ГКАУ.