КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 2, с. 83-87
УДК 523.9
ЭКСПЕРИМЕНТ "ПЛАЗМА-Ф" НА СПУТНИКЕ СПЕКТР-Р
© 2013 г. Л. М. Зелёный, Г. Н. Застенкер, А. А. Петрукович, Л. С. Чесалин, В. Н. Назаров,
В. И. Прохоренко, Е. И. Ларионов
Институт космических исследований РАН, г. Москва gzastenk@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 27.08.2012 г.
В статье описываются назначение, состав и основные характеристики эксперимента "Плазма-Ф" на спутнике Спектр-Р.
Б01: 10.7868/8002342061302009Х
1. ВВЕДЕНИЕ
После успешного осуществления широкомасштабного международного проекта Интербол, выполненного в 1995—2000 гг. на двух спутниках ИНТЕРБОЛ-1, 2 и двух субспутниках МАГИОН-4, 5 [1], следующим этапом наших исследований стало проведение более компактного плазменно-магнитного эксперимента "Плазма-Ф", являющегося "попутной нагрузкой" на высокоапогей-ном спутнике Спектр-Р (проект "Радиоастрон"). Общее описание этого эксперимента и первые его данные приведены в статьях [2—4]. В данной статье описываются цели проводимого исследования и основные особенности его аппаратуры и методики.
Интернет-сайт эксперимента расположен по адресу plasma-f.cosmos.ru. Он содержит описание приборов, первых научных результатов и пр.
2. ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕНТА И СОСТАВ АППАРАТУРЫ
Эксперимент "Плазма-Ф" предназначен для: мониторирования основных параметров межпланетной среды, магнитослоя и внешней магнитосферы; изучения турбулентности параметров межпланетной среды и магнитослоя в области сравнительно высоких частот 10—3—10 Гц.
В состав аппаратуры эксперимента входят: МЭП-2 — монитор энергичных частиц (ионов и электронов), созданный совместно ИКИ РАН и ИЭФ САН (г. Кошице, Словакия); БМСВ - быстрый монитор солнечного ветра, созданный совместно ИКИ РАН, ИФА ЧАН и Карловым Университетом (г. Прага, Чешская Республика); ММФФ - магнитометр постоянных и переменных магнитных полей, созданный совместно ИКИ РАН, ВНИИМ им. Менделеева (г. Санкт-Петербург) и ИКИ НАНУ (г. Львов, Украина);
ССНИ-2 - система сбора, хранения и обработки научной информации и передачи ее в радиоканал КА, созданная ИКИ РАН.
Описание устройства и характеристик приборов МЭП и БМСВ и примеры результатов их измерений даны в отдельных статьях [5, 6] в этом выпуске.
Высокоапогейный спутник Земли Спектр-Р был запущен 18.VII.2011 г.
Аппаратура эксперимента "Плазма-Ф" была включена в период 31. VII-6. VIII. 11 и с тех пор приборы ССНИ-2, МЭП-2 и БМСВ работают практически непрерывно. С прибором ММФФ эксперимент постигла неудача — прибор включился и узлы его электроники функционируют нормально, но никакие параметры магнитного поля не регистрируются, возможно, вследствие обрыва кабеля связи датчиков с блоком электроники.
3. СХЕМА РАЗМЕЩЕНИЯ ПРИБОРОВ ЭКСПЕРИМЕНТА "ПЛАЗМА-Ф" НА
СПУТНИКЕ СПЕКТР-Р И ОРИЕНТАЦИЯ СПУТНИКА
Основным научным экспериментом на спутнике Спектр-Р является эксперимент "Радиоастрон", предназначенный для исследования радиоизлучения дальних космических объектов с помощью радиотелескопа-интерферометра КРТ Соответственно, главным элементом конструкции спутника является большая (диаметром 10 м) антенна этого телескопа (см. рис. 1). В тени этой антенны на корпусе КА — на платформе "Навигатор" [3] — расположены приборы ССНИ-2 и МЭП-2, а на кронштейне одной из двух солнечных батарей размещен прибор БМСВ (рис. 1).
В полете спутник Спектр-Р имеет трехосную ориентацию с направлением главной оси антен-
Рис.1.Схематическое изображение спутника Спектр-Р. Стрелками отмечены положения приборов МЭП-2, БМСВ и ССНИ-2.
ны КРТ на какой-нибудь исследуемый в данный момент радиоисточник. После проведения сеанса наблюдения этого радиоисточника КРТ переориентируется (за счет разворотов КА в целом) на другой источник, проводит новый сеанс наблюдений и т.д.
К такой логике работы КА пришлось адаптировать приборы эксперимента "Плазма-Ф".
Для прибора БМСВ, которому необходима ориентация осей его датчиков в сторону Солнца, выход был найден в постановке этого прибора на кронштейн солнечной батареи, так как батареи спутника для обеспечения его энергоснабжения должны все время подворачиваться плоскостью своих панелей примерно перпендикулярно направлению на Солнце.
Для уточнения истинной ориентации прибора БМСВ (помимо получаемых от бортовых систем КА сведений об ориентации солнечной батареи) этот прибор снабжен собственным датчиком положения Солнца в осях прибора (см. статью [6]).
4. ОРБИТА СПУТНИКА СПЕКТР-Р
Вывод спутника Спектр-Р на его рабочую орбиту был осуществлен по классической двухступенчатой схеме — сначала с помощью ракеты-носителя "Зенит-2СБ.80" вся сборка была выведена на промежуточную круговую околоземную орбиту, а затем с помощью разгонного блока "Фрегат-СБ" спутник Спектр-Р был переведен на высоко-апогейную орбиту. Большая полуось а этой орбиты составляла 173192 км, начальное значение экс-
центриситета е0 равно 0.96, а период орбитального движения спутника составлял 8.3 суток.
На рис. 2 показано положение орбиты относительно магнитосферы Земли в геоцентрической солнечно-эклиптической системе координат, у которой ось ОХ направлена на Солнце, а плоскость ОХУсовпадает с плоскостью эклиптики. Для каждого месяца отдельно показана проекция орбиты на плоскость эклиптики, при этом первая точка орбиты, соответствующая началу первого числа текущего месяца, отмечена светлым кружком.
В начале эксперимента (в августе 2011 года) апогей орбиты находился вблизи подсолнечной точки, а затем, вследствие годового движения Земли вокруг Солнца, орбита спутника последовательно перемещалась относительно магнитосферы Земли, проходя через вечерний фланг (в октябре 2011 года), затем через хвост магнитосферы (в январе 2012 года). В апреле 2012 г. орбита перешла на утренний фланг магнитосферы, а в июле 2012 г. снова вышла в подсолнечную область.
Подробная орбитальная информация о спутнике Спектр-Р содержится на интернет-сайте эксперимента.
Уделим некоторое внимание основным особенностям дальнейшей эволюции орбиты под влиянием гравитационных возмущений от внешних тел (Луны и Солнца). Характер долговременной эволюции орбиты определяют начальные значения угловых элементов орбиты, измеренных относительно плоскости эклиптики, наклонение /0 = 30° и аргумент перигея ю0 = 313°.
ЭКСПЕРИМЕНТ "ПЛАЗМА-Ф" НА СПУТНИКЕ СПЕКТР-Р
85
и и
-25
25
50
25 0 —25 Август 2011 г.
25
0
25
Январь 2012 г.
50 25 0 —25 Октябрь 2011 г.
50
50 50
^ОЗЕ, ^Е
25 0 —25 Апрель 2012 г.
Рис.2. Годовое движение орбиты спутника Спектра-Р относительно магнитосферы Земли. Схематически показаны средние положения магнитопаузы (тонкая линия) и ударной волны (полужирная линия).
Вековая эволюция орбитальных элементов носит квазипериодический характер. При этом эволюция аргумента перигея имеет период около 5 лет, а эволюции эксцентриситета и наклонения орбиты к плоскости эклиптики имеют половинный период (около 2.5 лет). Эволюция эксцентриситета приводит к эволюции геоцентрического расстояния перигея гп.
Эволюция параметра гп, измеренного в средних радиусах Земли, показана на рис. 3 в функции времени на интервале от момента старта до конца 2020 года.
Отметим, что кроме указанной выше долгопе-риодической составляющей эволюционного процесса, имеются короткопериодические составляющие, определяемые периодами относительного движения возмущающих тел (Луны и Солнца) и орбитальным периодом движения спутника. Поэтому показанная на рис. 3 картина носит довольно причудливый вид.
Утолщенная горизонтальная линия на рис. 3 соответствует критическому значению геоцентрического расстояния перигея гП = 1 ЯЕ. При пересечении этой линии геоцентрическое расстояние перигея становится меньше радиуса Земли,
орбита спутника пересекает поверхность Земли и спутник сталкивается с Землей.
Такая угроза на начальной орбите КА Спектр-Р действительно существовала. Расчетная точка
Гп, *Е
10.0
0
2011 2013 2015 2017 2019 2021 2012 2014 2016 2018 2020
Годы
Рис. 3. Эволюция геоцентрического перигейного расстояния орбиты спутника Спектр-Р в функции времени.
0
ближайшего абсолютного минимума перигейно-го расстояния приходилась на 16.1.2014 года, и это прогнозируемое расстояние было меньше среднего радиуса Земли. Угроза соударения спутника с Землей была предотвращена путем успешно выполненной коррекции орбиты, краткий отчет о которой содержится в публикации [3].
Коррекция, осуществленная в два приема в феврале-марте 2012 года, привела к увеличению большой полуоси орбиты спутника на 353 км и, соответственно, к увеличению орбитального периода спутника на 0.025 суток. Это увеличение периода привело к сдвигу спутника вдоль скорректированной орбиты, который накапливается от витка к витку и приводит к изменению дат прихода спутника в точки перигея (по сравнению с аналогичными датами до коррекции).
В результате этого сдвига критический момент прихода системы в окрестность точки минимума перигея попадает в то окно по времени, в котором гравитационное возмущение от Луны дает положительное приращение перигейного расстояния, а не отрицательное как было до коррекции. По прогнозу, основанному на орбитальных данных, полученных после коррекции орбиты, в новых точках минимального перигея, которые приходятся на январь 2014 г. и июль 2016 г., расчетное значение гп превышает средний радиус Земли (см. рис. 3).
Эволюция перигейного расстояния гп связана с эволюцией аргумента перигея ю, который определяет угловое положение точки перигея относительно восходящего узла орбиты. Вековое возрастание гп на первом этапе сопровождается возрастанием аргумента перигея от ю0 до 360°, при котором южная эклиптическая широта точки перигея и северная эклиптическая широта точки апогея уменьшаются до нуля. При этом наклонение плоскости орбиты к плоскости эклиптики возрастает до 60°. Далее следует вековое убывание гп, которое сопровождается возрастанием ю от нуля до 90° и переходом точки перигея в северное полушарие, а точки апогея — в южное полушарие. В январе 2014 года наклонение приближается к своему минимальному значению, равному 30°. После этого в течение двух с половиной лет произойдет очередное вековое
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.