ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 4, с. 611-616
УДК 523.98+520.24
ЭКСПЕРИМЕНТ "АСТРОМЕТРИЯ" ПО ИЗМЕРЕНИЮ ВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИЙ ФОРМЫ И ДИАМЕТРА СОЛНЦА НА СЛУЖЕБНОМ МОДУЛЕ РОССИЙСКОГО СЕГМЕНТА МКС
© 2007 г. X. И. Абдусаматов1, Ю. В. Алексеев3, A. A. Антошков1,3, Л. Н. Архипова3, В. П. Будин1, Д. П. Веселов1,3, А. А. Гарбуль3, А. И. Иванов2, И. С. Измайлов1, В. А. Каринский3, В. П. Коношенко2, А. А. Кузнецов2, А. В. Марков2, С. Н. Мартынов3, В. Е. Мельников2!, Л. А. Мирзоева3, И. И. Николаев1, Л. Ш. Олейников3,
И. Н. Сивяков1, С. И. Ханков1
E-mail: abduss@gao.spb.ru
Проект "Астрометрия" обеспечит координатно-фотометрический мониторинг формы лимба и диаметра диска Солнца с погрешностью 0.005" и его сплюснутости на уровне ~10-6Rq в течение 6 лет. Проект предполагает исследование внутренней структуры и динамики Солнца и изменения его глобальных характеристик вплоть до ядра. Проект также обеспечит исследование тонкой структуры и динамики фотосферы как на диске, так и на лимбе. Реализация проекта планируется в восходящей фазе нового 24-го солнечного цикла.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование высокоточных измерений солнечной постоянной [1] показывает, что ее колебания с амплитудой в 1.3 Вт • м-2 или 0.1% в течение 11-летнего цикла Солнца аналогичны соответствующему колебанию уровня активности как по фазе, так и по амплитуде [2-5]. Наряду с такими 11-летними вариациями непосредственно обнаружено наличие также и вековой составляющей в вариациях солнечной постоянной, скоррелиро-ванных с вековыми вариациями уровня его активности [5]. Установлено, что долговременная циклическая вариация солнечной постоянной 80 фактически целиком является результатом соответствующего изменения площади излучающей поверхности фотосферы Солнца при сохранении ее эффективной температуры практически неизменной:
А /50 - 2 А Я0/Я0,
где Я0 - радиус Солнца [3-5]. Колебания солнечной постоянной за 11-летний цикл практически всецело обусловлены соответствующими вариациями его радиуса с амплитудой в пределах до 350 км. Таким образом, 11-летний гелиоцикл представляет собой скоординированное идентичное колебание активности и радиуса-солнечной постоянной как по фазе, так и по амплитуде [5]. Поэтому
1 Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН.
2 Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева, г. Королев.
3 ВНЦ "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова", Санкт-Петербург.
Солнце, строго говоря, в целом не находится в состоянии механического и энергетического равновесия. Оно - переменная звезда, пульсирующая относительно среднего уровня ее вариаций и радиуса по крайней мере с тремя квазипериодическими вариациями (11, 80 и 200 лет).
Следовательно, точная абсолютная величина радиуса Солнца - это важнейший фундаментальный параметр и один из основных индикаторов уровня активности и солнечной постоянной. При этом данные о спектре колебаний фундаментальных характеристик Солнца, а именно радиуса, сплюснутости, интегрального потока излучения, являются основой для диагностики параметров его внутреннего строения вследствие того, что они характеризуют изменения его внутренних слоев вплоть до ядра. Однако, не искаженные влиянием нестабильности земной атмосферы и колебательных процессов в ней, долговременные высокоточные однородные измерения абсолютной величины радиуса и его относительной вариации могут быть проведены только в условиях безвоздушного космического пространства. Для исследования важнейших и наиболее актуальных фундаментальных проблем физики Солнца и астрофизики в целом, а также для более эффективного и точного исследования первопричины вариаций солнечной постоянной - временных вариаций формы и диаметра Солнца в различных интервалах - в ГАО РАН разработан проект "Астрометрия" на служебном модуле (СМ) российского сегмента (РС) МКС [3, 6].
Рис. 1.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ПРОЕКТА
- Координатно-фотометрический мониторинг формы лимба и диаметра диска Солнца с погрешностью 0.005 " и его сплюснутости на уровне ~10-6 Л© (по усредненным результатам обработки 100 измерений);
- координатно-фотометрические измерения центральных и лимбовых участков диска;
- координатно-фотометрические измерения угловых расстояний между эталонными звездами +2.5 < ть < +6.5 с погрешностью 0.004" (по усредненным результатам обработки 100 измерений);
- создание уникальной базы данных с фундаментальными высокоточными рядами этих параметров, охватывающей не менее половины 11-летнего цикла.
ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ ПРОЕКТА
I. Исследование глобальных процессов, протекающих в недрах Солнца, и оценки их влияния на Землю:
- определение спектра и природы вариаций формы, диаметра-солнечной постоянной и сплюснутости диска и их зависимости от фазы цикла и потока солнечных нейтрино;
- изучение структуры внутреннего строения и его динамики, а также глобальных процессов, протекающих в недрах Солнца, и их вариаций в течение цикла;
- исследование физических механизмов и выяснение природы солнечного цикла;
- изучение влияния долговременных вариаций солнечного радиуса-потока радиации на глубокие изменения в климате Земли.
II. Исследование цикловых вариаций тонкой структуры фотосферы:
- исследование тонкой структуры и динамики фотосферы и их вариаций в течение цикла;
- определение природы грануляции, мезо- и супергрануляции;
- исследование вариаций физических параметров фотосферы в зависимости от глубины при изменении диаметра и фазы цикла.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ
Для решения термических проблем, связанных с непосредственным влиянием интегрального потока излучения полного диска Солнца на стабильность качества оптики и механической структуры телескопа и фотоприемного устройства, а также для получения однозначных и непротиворечивых результатов с требуемой точностью разработан и запатентован уникальный солнечный лимбограф космического базирования СЛ-200 со световым диаметром главного зеркала 200 мм, имитирующий кольцеобразное солнечное затмение [7, 8]. В основу оптической системы СЛ-200 (рис. 1а) положена зафокальная апланатическая схема Грегори, в промежуточном фокусе которой устанавливается искусственная Луна 3, перекрывающая более 90% центральной зоны изображения солнечного диска и обеспечивающая наблюдение только за очень узким кольцом края лимба 9 и двумя центральными участками диска 10 (рис. 16). "Луна" представляет собой непрозрачный эллиптический экран с угловым диаметром не менее 1800" и с двумя центральными отверстиями, установленный под углом 12° по отношению к плоскости, перпендикулярной оптической оси. Отраженный зеркальной поверхностью "Луны", поток лучистой энергии Солнца, падающий сходящимся пучком от главного зеркала 2, выводится наружу через отверстие 8 в корпусе лимбографа 1 СЛ-200, который снабжен зеркальным свето(спектро)делительным фильтром (ЗСВФ) 7 на входном зрачке, ослабляющим интегральный поток солнечного излучения более чем в 100 раз, и гелиофотомикрометром со специальным мозаичным пЗС-фотоприемником
а
6
2
4
3
5
диаметром 50 мм (рис. 16), размещенным в фокальной плоскости 6 на подвижном основании. Эквивалентное фокусное расстояние оптической системы 4800 мм.
Научная аппаратура (НА) измерительно-исследовательского комплекса солнечного лимбографа СЛ-200 состоит из двух блоков: блока оптики и механики (БОМ) (рис. 2е), устанавливаемого в открытом космосе за пределами корпуса СМ 1 (рис. 2а, 6), блока электроники (БЭ), состоящего из внутреннего субблока с компьютером НА, размещаемого в гермоотсеке СМ, и внешнего субблока с микропроцессором, размещаемого непосредственно на БОМ 2. Для удобства эксплуатации и обеспечения возможности замены ЗСВФ и ПЗС-фотоприемника на борту СМ БОМ СЛ-200 конструктивно расчленяется вдоль оптической оси трубы на три сопрягаемых субблока: субблок ЗСВФ 5 - БОМ1, субблок гелиофотомикрометра фотоприемного устройства 8 - БОМ2 и собственно основной субблок солнечного лимбографа, включая его трубу 7, платформу точного слежения (ПТС) 9, фотогид 6 и систему наведения и управления - БОМЗ. БОМ1 и БОМ2 устанавливаются на БОМЗ с помощью штифтов и закрепляются посредством замков многократного действия.
БОМ СЛ-200 включает в себя следующие функциональные элементы:
- труба лимбографа с питающей оптической системой (ПОС);
- откидная теплозащитная крышка объектива с приводом;
- заменяемый ЗСВФ с приводом;
- собственная платформа точного слежения (ПТС) визирной оси лимбографа за Солнцем;
- арретирующее устройство с приводом;
- теплозащитная крышка трубы лимбографа с приводом;
- заменяемый мозаичный ПЗС-фотоприемник, 0 50 мм - гелиофотомикрометр;
- автономная система обеспечения теплового режима (АСОТР);
- анализатор качества изображения (АКИ);
- телеметрические датчики оперативного контроля;
- фотогид с полем зрения 6°, установленный со-осно с визирной осью ПОС;
- система точного ведения и слежения визирной оси лимбографа за Солнцем;
- системы автоматической фокусировки (САФ) и управления (САУ).
ПЗС-фотоприемник (рис. 16) представляет собой мозаику с тремя автономными группами отдельных блоков: 16 лимбовых блоков; два центральных блока и четыре линейки на диаметрально противоположных краях лимба через каждые 90°. Каждая группа фотоприемных блоков имеет независимый режим работы и собственную систему управления: СУ1, СУ2, СУ3, - а также автономные общие электронные затворы с управляемым временем экспонирования.
Разработанная АСОТР включает регулируемые электронагреватели общей мощностью до 100 Вт, обеспечивающие компенсацию нерегулируемых тепловых потерь БОМ в окружающее космическое пространство, а также экранно-ваку-умную теплоизоляцию (ЭВТИ) его наружных поверхностей. Инваровая труба лимбографа снаружи покрывается двумя слоями ЭВТИ по 10 мм, между которыми размещается дополнительная труба из дюралюминия для выравнивания температур вдоль оптической оси и по всему объему ин-варовой трубы. К пассивным элементам АСОТР
можно отнести систему экранировки вторичного зеркала от прямого солнечного облучения и от переохлаждения при наблюдении звезд, внешние радиационные панели и тепловые шины для отвода тепла, выделяющегося при рабо
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.