КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 2, с. 93-105
УДК 629.7
АКАДЕМИЧЕСКИЙ МИКРОСПУТНИК ЧИБИС-М
© 2014 г. Л. М. Зелёный1, А. В. Гуревич2, С. И. Климов1, В. Н. Ангаров1, О. В. Батанов1, А. В. Богомолов3, В. В. Богомолов3, [Л. Боднар]5, Д. И. Вавилов1, Г. А. Владимирова1,
Г. К. Гарипов3, В. М. Готлиб1, М. Б. Добриян1, М. С. Долгоносов1, Н. А. Ивлев7,
A. В. Калюжный1, В. Н. Каредин1, С. О. Карпенко7, В. М. Козлов1, И. В. Козлов1,
B. Е. Корепанов4, А. А. Лизунов8, А. А. Ледков1, В. Н. Назаров1, М. И. Панасюк3, А. П. Папков6, В. Г. Родин1, П. Сегеди5, С. И. Свертилов3, А. А. Суханов1, Ч. Ференц5,
Н. А. Эйсмонт1, И. В. Яшин3 Институт космических исследований РАН, г. Москва 2Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва 3Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ 4Львовский центр Института космических исследований Национальной академии наук Украины и Национального
космического агентства Украины, г. Львов, Украина 5Университет Этвоса, г. Будапешт, Венгрия 6Научно-исследовательская лаборатория аэрокосмической техники ДОСААФ, г. Калуга 7Инженерно-технологический центр "СКАНЭКС", г. Москва 8НПО Машиностроения, г. Реутов Поступила в редакцию 21.03.2013 г.
В статье отражены научные задачи и конструкторские разработки микроспутниковой платформы Чибис и комплекса научной аппаратуры "Гроза", направленные на изучение новых физических механизмов высотных электрических разрядов в атмосфере. Приводится описание комплекса научной аппаратуры "Гроза", который является единым "летающим" прибором, определяющим основные требования к микроспутнику Чибис-М. Изложены вопросы наземной подготовки космического эксперимента, методики вывода в инфраструктуре МКС микроспутника на орбиту, командно-телеметрического управления в полете, приведены первые научные результаты.
DOI: 10.7868/S0023420614010117
ВВЕДЕНИЕ
В 1991 г. космическая обсерватория им. Комп-тона, измеряя мощность излучения космических источников гамма-лучей, таких как нейтронные звезды и остатки сверхновых, начала регистрировать яркие миллисекундные всплески гамма-излучения, идущего не из космического пространства, а со стороны Земли. Однако, до настоящего времени отсутствует полное представление о том, что могло вызвать эти атмосферные вспышки гамма-лучей. Имеют ли они отношение к удивительным атмосферным явлениям, наблюдаемым выше грозовых облаков на высоте до ~ 80 км и названным "спрайты" (от английского sprite — приведение, призрак). Считалось, что спрайты — следствие атмосферных молний, переносящих электроны между различными областями атмосферы или между атмосферой и Землей, и возникающие в результате неоднородного распределения электростатического заряда и образования электрических полей, разность потенциалов в которых может превышать 100 млн В [1]. Такие вто-
ричные электрические поля вблизи ионосферы способны вызвать лавинный разряд электронов высокой энергии, которые, столкнувшись с атмосферными атомами, испускают фотоны с еще более высокой энергией — гамма-лучи. Модель этого процесса, теоретически предложенная в Физическом институте РАН, получила название пробоя на убегающих электронах — ПУЭ [2]. Особенностью этого вида пробоя является то, что он происходит при напряженности электрического поля значительно меньшей, чем та, которая необходима для обычного пробоя, но требует для своей инициации затравочных частиц высокой энергии (0.3—1 МэВ). Одновременно рождается исключительно большое число электронов низких энергий. Движение этих электронов в электрическом поле грозы рождает мощный импульс радиоизлучения [3]. Принципиальную роль в инициации ПУЭ играют космические лучи высоких энергий [4]. Широкий атмосферный ливень (ШАЛ) содержит большое количество высокоэнергичных электронов, которые и служат требу-
емой затравкой пробоя. Развитие ШАЛ с частицами высоких энергий на больших высотах происходит только, если он движется под углом, близким к горизонтальному. В этом случае происходит усиление ПУЭ и значительное увеличение его пространственного масштаба [5]. Именно поэтому, согласно модели, разряды на больших высотах (~8-20 км) носят столь мощный характер, как в радио, так и в рентгеновском диапазоне длин волн.
Для исследования новых физических процессов при высотных атмосферных грозовых разрядах и механизмов формирования в них гамма-вспышек, инфракрасных и ультрафиолетовых излучений, электромагнитных излучений в широком диапазоне частот необходимо проводить синхронные измерения в этих диапазонах с очень высоким (лучше единиц микросекунд) временным разрешением [6].
Ряд природных электромагнитных явлений, объединяемых в комплекс, именуемый "космическая погода" [7—12], происходящих в системе солнечный ветер—магнитосфера—ионосфера—атмосфера Земли, дают вклад в электромагнитные поля, регистрируемые в ионосфере. Классическим примером являются регистрируемые на спутниках излучения, возникающие при грозовых разрядах, названные свистящими атмосфериками.
Исходя из аппаратурно-методического опыта, имеющегося в ИКИ РАН, был определен состав комплекса научной аппаратуры (КНА) микроспутника (МС) Чибис-М [13]. Следует отметить, что приборы КНА имеют аналоги, отработанные в ходе проведения ряда предшествующих проектов по фундаментальным космическим исследованиям.
2. КОМПЛЕКС НАУЧНОЙ АППАРАТУРЫ "ГРОЗА"
Перспективные направления развития экспериментальной физики требуют все более точных и высокоинформативных научных приборов. Более того, ситуация усложняется постоянным сокращением финансирования научных исследований, даже в развитых странах. Это обуславливает необходимость разработки и создания нового поколения научных приборов с малой массой, небольшой потребляемой мощностью и невысокой стоимостью.
Важным фактором оказывается то, что оптимальный приборный состав комплекса научной аппаратуры для широкого ряда космических экспериментов может уложиться в общую массу менее 20 кг. Естественным становится вопрос создания микроспутниковой платформы, способной обеспечить размещение КНА, ее бортовое обслуживание, передачу на Землю телеметрической информации и т.д. Благодаря успехам высоких
технологий у исследователей появилась возможность выводить на орбиту полноценные научно-исследовательские аппараты малых размеров — массой менее ста килограммов (МС), обладающие целым рядом преимуществ по сравнению с тяжелыми КА.
Во-первых, стоимость запуска в космос объекта малой массы существенно ниже "обычной" и вполне "по карману" даже отдельному институту. Сравнительно небольшой срок подготовки аппарата, вкупе с невысокой ценой, существенно снижает возможные риски при неудачном выводе аппарата на орбиту. Во-вторых, МС более экологичны, так как для их вывода на орбиту сжигается значительно меньше горючего. В-третьих, отработав положенный срок и перейдя в более плотные слои атмосферы, МС полностью сгорает, не оставляя после себя космического мусора. Кроме этого, благодаря небольшому времени подготовки, можно создавать целые группировки МС, поддерживать которые относительно просто. Цикл разработки и подготовки к запуску большого научного спутника (например, орбитальной обсерватории) занимает от нескольких лет до десятилетия. За это время неизбежно устаревает научная аппаратура, что может существенно снизить эффективность научных исследований. Это естественная для любой космической техники проблема становится менее актуальной в случае микроспутников, так как цикл их подготовки не так велик.
Впервые в практике фундаментальных космических исследований в ИКИ РАН с кооперацией создан КНА "Гроза" ориентированный на изучение физических процессов, связанных с атмосферными грозовыми разрядами [14, 15], и размещаемый на МС Чибис-М [16, 17].
Основные параметры приборов КНА "Гроза" следующие:
Рентген-гамма детектор — РГД (НИИЯФ МГУ) с диапазоном рентгеновского и гамма-излучения 0.02-1.0 МэВ [18, 19];
Детектор - ДУФ (НИИЯФ МГУ) спектра излучения от УФ (180-400 нм) до ИК (650-800 нм) [20];
Радиочастотный анализатор - РЧА (ИКИ РАН) в диапазоне частот 26-48 МГц [21];
Цифровая камера - ЦФК (ИКИ РАН) с пространственным разрешением 300 м и экспозицией 15 кадров/с [22];
Магнитно-волновой комплекс в диапазоне частот 100-40000 Гц - МВК: индукционный магнитометр - ИМ, комбинированный волновой зонд -КВЗ (ЛЦ ИКИ НАН и НКА Украины), процессор спектрального анализа - ПСА (Университет Эт-воса, Венгрии) [23];
Блок накопления данных БНД-Ч (ИКИ РАН) [24];
АКАДЕМИЧЕСКИЙ микроспутник чибис-м
95
БКУ (ДОКА-15Б, СОС, СЭП)
КНА"Гроза"
Рис. 1. Структурная схема Чибис-М: БКУ - бортовой комплекс управления: ДОКА-15Б - аппаратура дистанционного контроля, СОС - система ориентации и стабилизации, СЭП - система электропитания; КНА "Гроза" - комплекс научной аппаратуры.
Передатчик 2.2 ГГц с антеннами - ПРД 2.2 ПИКИ РАН) [25].
На рис. 1 показана структурная схема КНА "Гроза".
Состав КНА "Гроза" - комплексный и уникальный по ширине охвата энергетического диапазона и временному разрешению при ограниченной массе приборов. Перечисленная выше аппаратура может рассматриваться как единый прибор. Это обусловлено и тем, что фактом регистрации высотного разряда ("события") служит выработка блоком БНД-Ч единого триггера события на основе совпадения триггеров приборов РГД, РЧА, ДУФ. Алгоритмы выработки этих триггеров изложены в сборнике [16]. Вся телемет-рируемая научная информация, накапливаемая в БНД-Ч, передается на наземные приемные пункты с помощью высокоинформативного передатчика ПРД 2.2 [25, 26].
3. МИКРОСПУТНИКОВАЯ ПЛАТФОРМА ЧИБИС
Концепция "летающего прибора" [26] позволяет проводить научные космические исследования в России без привлечения дорогостоящих космических аппаратов, разрабатываемых предприятиями космической отрасли.
Более чем десятилетний опыт работы по изготовлению научно-исследовательских и научно-образовательных микроспутников, накопленный в СКБ КП ИКИ РАН, позволил по-новому взглянуть на проблемы разработки базовых конструкций и компоновочных решений при создании МС Чибис-М.
Первой задачей стало создание общего базового несущего конструктива-трансформера, который от
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.