Система мониторинга уровней воздействия космической среды на космические аппараты разработки АО «Информационные спутниковые системы»

Введение. Спектр факторов, воздействующих на космический аппарат (КА) в процессе его орбитальной эксплуатации, чрезвычайно широк. В результате их воздействия, в материалах конструкции КА и элементах бортовой аппаратуры (БА) протекают разнообразные физико-химические процессы, приводящие к ухудшению их эксплуатационных параметров, а также к возникновению аномальных ситуаций в работе БА и катастрофическим отказам бортовых систем КА.

Поэтому одной из основных проблем в области прикладной космофизики при создании и обеспечении надежного функционирования КА является проблема обеспечения его стойкости к воздействию факторов космического пространства и факторов техногенного характера.

Работы по исследованию влияния космической среды на КА в нашей стране под патронажем Роскосмоса и Российской академии наук проводятся уже несколько десятилетий. В АО «ИСС» имеется многолетний опыт мониторинга параметров космической среды, результатом которого является уточнение физики и механизмов воздействия космической среды на КА, разработка и отработка методов и средств защиты, применение которых позволяет обеспечить длительный срок активного существования разрабатываемых КА (до 15 лет). Работы проводятся в тесном сотрудничестве с ведущими в данной области российскими НИИ [1-15].

Основные этапы развития системы мониторинга. Основные этапы развития системы мониторинга влияния космической среды на КА разработки АО «ИСС» представлены в таблице.

Система мониторинга воздействия космической среды на КА разработки АО «ИСС»

Тип орбиты	Время проведения экспериментов	Регистрируемые параметры космической среды	Основные результаты исследований
Круговая, 1000 км	1968-1971 гг.	Потоки электронов и протонов	Уточнена модель радиационных поясов Земли, получены данные о планетарном распределении солнечных космических лучей (СКЛ)
Высокая эллиптическая орбита (ВЭО)	1968-1975 гг.	Потоки электронов и протонов, поглощенная доза
Геостационарная орбита (ГСО)	1976-1977 гг.	Датчики давления	Проведены измерения динамики изменения фонового давления вокруг КА
ГСО	1978 г.	Потоки электронов и протонов, поглощенная доза, электрические поля, внешняя помеховая обстановка	Подтверждение гипотезы о влиянии на КА факторов электризации
ГСО	1983-1994 гг.	Потоки электронов и протонов, поглощенная доза, электрические поля, внешняя помеховая обстановка	Исследованы процессы формирования магнитосферной плазмы
	1990 г.	Электрические поля, помеховая обстановка на борту КА	Отработаны методы активной плазменной защиты КА от воздействия факторов электризации, в основном разработаны и внедрены пассивные методы и средства защиты от радиации и электризации
Круговая, 20 000 км	1983-1994 гг.	Потоки электронов и протонов, поглощенная доза, электрические поля, разности потенциалов, внешняя помеховая обстановка	Уточнена модель радиационных поясов Земли, определена физика воздействия протонов СКЛ на солнечные батареи, исследованы области проникновения СКЛ на данные высоты
	1993 г.	Электрические поля, помеховая обстановка на борту КА	Отработана и внедрена защита КА от разности потенциалов по системе энергопитания

Окончание таблицы

Тип орбиты	Время проведения экспериментов	Регистрируемые параметры космической среды	Основные результаты исследований
ГСО	1994-2000 гг.	Потоки электронов и протонов, поглощенная доза, разности потенциалов, наружная помеховая обстановка, потоки микрометеоритов	Получены закономерности вариации интенсивности потоков электронов и дозы в периоды магнитных бурь, выявлено влияние техногенных факторов на работоспособность БА (плазма двигательных установок, собственная атмосфера и т. д.)
ГСО	2000-2003 гг.	Потоки электронов и протонов, внутренняя и наружная помеховая обстановка, параметры плазмы и собственной атмосферы	Выявлено, что солнечная и геомагнитная активность вызывает значительные (на несколько порядков) непрогнозируемые изменения уровней радиационного воздействия, увеличение флуктуации геомагнитного поля. Начата разработка комплексной модели воздействия на КА факторов техногенного характера, разработка методов и средств защиты
ВЭО	2001-2003 гг.	Потоки электронов и протонов, поглощенная доза, помеховая обстановка	Проведены работы по уточнению модели космического пространства
Круговая, 20 000 км	2006-2015 гг.	Потоки электронов и протонов, поглощенная доза, электрические поля, разности потенциалов, внешняя помеховая обстановка	Проведено уточнение модели радиационных поясов Земли
	с 2017 г.	Потоки электронов и протонов, тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ), поглощенная доза, электрические поля, внешняя помеховая обстановка, давление собственной внешней атмосферы (СВА) снаружи и внутри приборного отсека КА	Уточнение модели космического пространства и механизмов его воздействия на КА
ВЭО	с 2017 г.	Потоки электронов и протонов, ТЗЧ, поглощенная доза, помеховая обстановка внутри приборного отсека	Уточнение модели космического пространства и механизмов его воздействия на КА
ГСО	с 2017 г.	Поглощенная доза, помеховая обстановка, давление СВА внутри приборного отсека	Уточнение модели космического пространства и механизмов его воздействия на КА

Кроме того, АО «ИСС» принимало участие в следующих международных проектах по орбитальному исследованию космической среды совместно с Европейским космическим агентством (ESA): CEDRE (исследование механизма образования пленок загрязнения под воздействием космической среды) (1994-1995 гг.), GORID (измерение потоков микрометеоритов на ГСО) (1996-1997 гг.) и подготовка эксперимента DDE по исследованию внутренней зарядки КА (1998-1999 гг.).

Результаты натурных экспериментов. Очевидно, что основным показателем достаточности методов и средств защиты КА от воздействия космической среды, использованных на стадиях проектирования, изготовления и наземной экспериментальной подготовки, является его нормальное функционирование и бессбойное надежное выполнение своих целевых функций в процессе натурной эксплуатации. Однако при наличии случаев аномального функционирования бортовых систем появляется необходимость выявления их причин с целью разработки и применения дополнительных мер защиты.

Существует два способа идентификации аномального функционирования БА с уровнями воздействия факторов космического пространства. Первый из них основан на прогнозировании состояния плазменного окружения КА с помощью определения области магнитосферы, где в данный момент находится КА, а также диагностике магнитосферных возмущений в виде магнитосферных суббурь. Это является довольно сложной задачей, поскольку четкая привязка места нахождения КА в момент наблюдения аномальных ситуаций относительно структурных областей магнитосферы затруднена в связи с временной флуктуацией их границ, а также наличием переходных областей; диагностика же начала суббуревых возмущений в точке нахождения КА требует организации четкой службы разветвленной сети наземных станций наблюдения.

Второй способ является более предпочтительным в связи с его гораздо большей точностью и меньшими затратами. Он основан на использовании бортовой датчиковой диагностической аппаратуры контроля, обеспечивающей измерение уровней воздействия космической среды на БА и КА. Необходимо отметить, что количественное определение эффективности примененных средств защиты в натурных условиях также возможно лишь с помощью бортовой аппаратуры контроля.

Описание основного состава датчиковой аппаратуры, предназначенной для мониторинга радиационной обстановки на орбите КА разработки АО «ИСС», в данной работе дается на основе комплектации аппаратуры контроля внешней среды (АКВС), установленной на КА «Глонасс». В состав АКВС входит блок детекторов, позволяющий получать информацию о пространственном и временном распределении потоков электронов и протонов радиационных поясов и солнечных космических лучей. Кроме того, в состав АКВС входит блок и датчики для измерения поглощенной дозы внутри приборного отсека, создаваемой различными видами ионизирующих излучений на траектории орбитального движения КА, а также блок и датчики контроля уровней зарядки, интенсивности разрядных процессов и помеховой обстановки.

На рис. 1 представлен временной ход потоков солнечных протонов, зарегистрированных на КА GOES-11 и «Глонасс» [15]. Для КА «Глонасс» приведены средние значения потоков, наблюдавшихся вне радиационных поясов. Пробелы в профилях данных КА «Глонасс» относятся к пролетам через радиационные пояса. Видно хорошее совпадение профилей на обоих спутниках.

Интенсивность зарядно-разрядных процессов, потенциал спутника и отдельных его изолированных частей можно определить, непосредственно исходя из прямых измерений напряженности электрического поля в различных точках на поверхности.

Наиболее общим параметром, сопровождающим электризацию и характеризующим уровни ее воздействия на КА, является напряженность электрического поля, которая однозначно связана с поверхностной плотностью заряда. Изменение напряженности электрического поля в разных точках КА позволяет оценить как средний потенциал его конструкции, так и неоднородность поверхностной зарядки КА. Кроме того, величина напряженности определяет вероятность возникновения электростатических разрядов [10].

Следствием электростатических разрядов являются высокочастотные помеховые сигналы, наводимые в бортовой кабельной сети и электронных схемах БА, которые могут вызвать сбои и отказы в работе БА и КА в целом. Еще одним параметром электризации, критичным для работоспособности КА, является наведение квазистатической разности потенциалов между изолированными частями конструкции КА.

Большинство приборов для измерения напряженности электрического поля основаны на явлении электростатической индукции. На этом принципе с учетом значительного дефицита массы и мощности был разработан малогабаритный датчик напряженности электрического поля вибрационного типа. Для измерения квазистатической разности потенциалов между шинами питания и корпусом КА использовался модифицированный датчик напряженности электрического поля. Для измерения интенсивности помех используются две разновидности регистраторов.

Декабрь 2006, UT (месяц/день)

Рис. 1. Временной ход потоков солнечных протонов на КА «Глонасс-К» и GOES-11 за период 5-18 декабря 2006 г. (по оси ординат приведена плотность потоков солнечных протонов J , кривые 1-7 соответствуют плотности потоков протонов в различных диапазонах энергий)

Хорошим примером, демонстрирующим действенность использования разработанных датчиков электрического поля, являются результаты натурного эксперимента, проведенного на борту КА «Глонасс».

С целью сохранения работоспособности БА эксперимент проводился в спокойных геомагнитных условиях. Необходимо отметить, что в период геомагнитных возмущений разность потенциалов между шинами питания и корпусом КА на круговой орбите достигала нескольких сотен вольт.

Эффективность включения фильтра хорошо иллюстрируется рис. 2, где показана типичная зависимость показаний датчика разности потенциалов до включения фильтра и после включения фильтра. На графике по оси ординат в логарифмическом масштабе приведены значения измеряемой разности потенциалов между шиной питания и корпусом КА.

Как видно из приведенного графика, в рассматриваемый период времени показания датчика разности потенциалов до включения фильтра составляли около 30 В. После включения фильтра показания датчика находились в диапазоне около 10 В и далее на протяжении всего времени наблюдений находились в этом пределе.

Основным моментом в проведении натурных экспериментов является постоянный длительный мониторинг радиационных уровней воздействия, на основании которого возможна корректировка используемых моделей воздействия.

На рис. 3 представлены данные о поглощенной дозе, накопленной дозиметрами на КА «Глонасс» за определенной защитой, с начала проведения мониторинга в 2007 году [16]. На верхней панели - индекс месячного числа солнечных пятен RI с начала космической эры; ниже - тот же индекс для периода мониторинга; еще ниже - суточные дозы с блоков радиометров дозы аппаратуры АКВС, далее - усреднённая по году суточная доза из предыдущей панели с пунктирными модельными уровнями, ниже - индексы Kp и Dst.

Рис. 3 свидетельствует, что модель хорошо учиты вает верхние пределы наблюдаемых потоков, лишь в 2012 году измеренная среднегодовая доза вышла за уровень модели AE8-MAX. То, что доза в течение четырёх лет (с 2008 по 2011 гг.) находится около минимума и лежит ниже уровня AE8-MIN, объясняется уникально длинным минимум солнечной активности.

Заключение. Таким образом, можно констатировать, что уже при первых полетах искусственных спутников Земли были сформулированы два прикладных направления целевого использования системы мониторинга:

• -    уточнение условий эксплуатации КА;

• -    изучение механизмов и уровней воздействия космической среды на КА, совершенствование методов и средств защиты.

Российской космической отраслью накоплен богатейший опыт в проведении исследований факторов космического пространства и их влияния на бортовые системы КА. Так, за период с конца 1960-х годов до настоящего времени только АО «ИСС» в кооперации с ведущими отечественными НИИ подготовлены и проведены десятки натурных экспериментов, хронология и основные результаты которых приведены выше.

За это время был проведен огромный комплекс исследовательских и проектных работ, результатом чего явилось:

• -    определение типов и параметров дестабилизирующих факторов космического пространства, негативно влияющих на КА;

• -    уточнение моделей воздействия ионизирующего излучения космического пространства;

• -    выбор, создание и отработка датчиковой аппаратуры мониторинга;

• -    создание средств защиты от негативного воздействия факторов космической среды для КА.

Следует также отметить, что информация об уровнях воздействия космической среды, получаемая с КА в режиме реального времени, крайне необходима при анализе аномальных ситуаций на борту КА и для принятия оперативных решений по их управлению.

Рис. 2. Показания датчика разности потенциалов между шиной питания и корпусом КА, полученные в процессе натурного эксперимента на круговой орбите, проводимого с целью отработки эффективности средств защиты КА в виде RC-фильтра

Рис. 3. Циклы солнечной активности (число солнечных пятен RI) (вверху); 7,5-летний ряд измерений радиационной дозы на КА «Глонасс» (внизу); индексы Kp и Dst (Kp-индекс - это планетарный индекс геомагнитной активности магнитосферы Земли, Dst-индекс представляет собой осесимметричную относительно геомагнитного диполя компоненту возмущенного магнитного поля и определяется на основе измерений магнитного поля на четырех приэкваториальных станциях)