УДК 550.385.37: 550.388
ГЕОМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ СТАРТОВ И ПОЛЕТОВ КРУПНЫХ
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
© 2013 г. Л. Ф. Черногор
Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, г. Харьков, Украина Leonid.F.Chernogor@univer.kharkov.ua Поступила в редакцию 25.12.2011 г.
Проанализированы результаты наблюдений за вариациями геомагнитного поля в диапазоне периодов 1—1000 с, которые сопровождали старты и полеты ракет разных типов с различных космодромов мира в 2002—2010 гг. (всего 237 событий). Измерения выполнены вблизи г. Харькова (удаление от космодромов составляет около 1500—9500 км). Проведен статистический анализ и спектральное оценивание, которые выявили три группы возмущений. Времена запаздывания и длительности возмущений увеличивались при увеличении расстояния от космодромов. Периоды составляли от 6 до 14 мин, а амплитуды колебались в пределах 1—3 нТл.
Б01: 10.7868/80023420613050038
1. ВВЕДЕНИЕ
Обнаружением и исследованием возмущений в атмосфере и геокосмосе, сопутствующих стартам ракет (СР), занимаются уже более 40 лет. Этому вопросу посвящен целый ряд статей (см., например, [1—13]) и две монографии [14, 15]. Большинство исследований проводится на близких расстояниях от места воздействия (вдоль траектории полета космического аппарата) [4, 7, 11]. Особый интерес представляет изучение физических эффектов и их экологических последствий на больших удалениях от места старта. Этому вопросу также посвящен ряд работ (см., например, [8, 9, 12, 13]). При этом, как правило, изучались ионосферные эффекты СР [1—14].
К началу 2000-х гг. были известны три работы, посвященные исследованию эффектов СР в геомагнитном поле. В работе [10] обсуждался эффект запуска КА SpaceLab 2. Этот запуск имел место на фоне магнитной бури, что сильно затруднило селекцию эффектов старта космического аппарата.
В работе [16] показана возможность генерации длиннопериодических геомагнитных возмущений с периодами около 140 мин, амплитудами 10 нТл. Возмущение появлялось через 10—15 мин после СР. В [16] предположили, что повторяющийся характер возмущений геомагнитного поля в области периодов 2—3 мин с амплитудой 5— 20 нТл через 2—4 мин после старта свидетельствует о том, что запуск ракеты приводит к возникновению также короткопериодических возмущений. Для анализа использовалась база данных геомагнитной обсерватории "Алма-Ата" для 23 запусков ракет в 1999—2001 гг. [16].
В работе [17] обсуждаются вариации уровня геомагнитных шумов с периодом Т = 1 с, вызванные стартом ракеты на расстоянии около 1000 км.
В работах [18—26] нами исследовалась реакция относительно высокочастотных (10-3 — 1 Гц) флуктуаций геомагнитного поля на старты 43 ракет Союз и 65 ракет Протон с космодрома Байконур (Я ~ 2100 км). Статистический анализ выявил три группы возмущений, также были определены их основные параметры — времена запаздывания, продолжительности и периоды. Времена запаздывания оказались равными 6—7, 30—70 и 70—130 мин, продолжительности — 10—20, 50—70 и 45—70 мин, периоды — 3—6, 6—12 и 6—12 мин соответственно. Трем группам возмущений соответствовали скорости 10-14 км/с, 600-1600 м/с и 330-630 м/с.
По аналогичной методике были выполнены исследования реакции магнитного поля Земли, сопутствовавших стартам ракет как и с более близких к месту регистрации космодромов (Я ~ ~ 1500 км) [19, 26], так и значительно удаленных (Я ~ 9500 км) [18, 26]. Для проведения анализа выбирались активно функционирующие космодромы, с которых стартуют достаточно мощные ракеты. Такими космодромами являются космодромы Плесецк, Сичан, Цеюань, Тайюань, Мыс Канаверал и Куру. Регистрация временных вариаций геомагнитного поля осуществлялась вблизи г. Харькова. Практически всем рассмотренным стартам ракет сопутствовали заметные изменения характера колебаний (амплитуды, периода, фазы и спектрального состава колебаний) горизонтальных компонент геомагнитного поля в диапазоне геомагнитных пульсаций.
Для всех космодромов выявлены три группы возмущений. Для космодрома Плесецк им соответствовали скорости: 4.9—6.1 км/с, 880—910 м/с и 325—400 м/с [19, 26]. Для космодромов Китая: 2.0-3.7 км/с, 800-970 м/с и 500-600 м/с [20]. Для космодрома Мыс Канаверал: 4.4-5.5 км/с, 9801070 м/с и 540-590 м/с [21]. Для европейских ракет, стартовавших с космодрома Куру, значения скоростей следующие: 2.5-3.1 км/с, 680-740 м/с и 480-540 м/с [21].
Существует, однако, целый ряд вопросов, на которые необходимо ответить, используя статистический анализ результатов большого числа СР: "Какие тенденции изменения параметров возмущений с увеличением расстояния до космодрома? Насколько далеко могут распространяться волны, генерируемые стартами ракет?", "Какова природа этих волн?" "Какова величина возмущений?" и др.
Целью настоящей работы является изучение и статистический анализ зависимостей времен запаздывания, продолжительностей и периодов возмущений, сопутствовавших большому числу стартов ракет (всего 237 событий) с различных космодромов мира, от расстояния до космодромов по результатам наблюдений относительно высокочастотных (10-3-1 Гц) флуктуаций геомагнитного поля вблизи г. Харькова.
2. СРЕДСТВА И МЕТОДЫ
Магнитометр-флюксметр. Несерийный высокочувствительный магнитометр, включенный в состав программно-аппаратного комплекса, размещен в обсерватории Харьковского национального университета имени В.Н. Каразина (с. Граково, Чугуевский район, Харьковская обл.) [27]. Его геофизические координаты: 40°40' с.ш., 36°50' в.д., геомагнитные координаты: +45°20' геомагнитной широты, 119°20' в.д.
Магнитометр-флюксметр измеряет уровень флуктуаций. Его чувствительность составляет не хуже 0.5-500 пТл в диапазоне периодов 1-1000 с соответственно.
Методы анализа. Вначале магнитометрические сигналы, соответствующие Н- и ^-компо-нентам геомагнитного поля с учетом амплитудно-частотной характеристики магнитометра-флюксметра преобразовывались в сигналы Н^) и D(t) флуктуаций геомагнитного поля. Первые измеряются в относительных единицах, а последние - в абсолютных (в нТл).
Затем сигналы Н(^ и D(t) подвергались дальнейшей обработке: цифровой фильтрации с полосами фильтров, соответствующих, например, периодам 1-20, 20-100, 100-300 и 300-1000 с и системному спектральному анализу, описанному в [28]. Отметим, что амплитуда пульсаций увели-
чивается при увеличении периода колебаний. Поэтому для дальнейшего анализа предпочтительными оказались колебания с периодом 300— 1000 с.
Системный спектральный анализ базировался на одновременном использовании оконного преобразования Фурье (ОПФ), адаптивного преобразования Фурье (АПФ) и вейвлет-преобразова-ния (ВП). Все три преобразования дают примерно одинаковую информацию о спектральном составе колебаний, но ОПФ обладает лучшим разрешением по периодам (для относительно малых периодов), АПФ — по времени. ВП позволяет выявить квазигармонические колебания и лучше проследить динамику изменения параметров квазипериодических процессов во времени [28].
Как показал анализ большого числа (сотни событий) СР, полеты космических аппаратов сопровождаются изменением характера геомагнитных пульсаций, а именно: изменением спектрального состава, увеличением амплитуды (чаще уменьшением) и периода, а также начальной фазы колебаний. Этим мы и руководствовались при поиске реакции геомагнитного поля на старты и полеты крупных космических аппаратов.
Определению подлежали времена запаздывания возможной реакции геомагнитного поля на СР, ее продолжительность и спектральный состав возникающих возмущений. Далее путем усреднения вычислялись статистические характеристики этих возмущений для разных космодромов и строились зависимости времен запаздывания, продолжительностей и периодов от расстояния до космодрома.
В качестве контрольных выбирались сутки до и сутки после СР. К результатам измерений в контрольные сутки применялась аналогичная методика обработки. При определении "времен запаздываний" в контрольные сутки отсчет производился от того же самого момента времени, что и в сутки с СР.
3. СВЕДЕНИЯ О РАКЕТАХ И КОСМОДРОМАХ
В работе изучалась реакция геомагнитного поля на старты 30 ракет с космодрома Плесецк, 100 ракет с космодрома Байконур, 62 ракет с космодромов КНР, 22 ракет с космодрома Мыс Канаверал и 23 ракет с космодрома Куру. Все СР имели место в 2002 - 2010 гг.
Характеристики и основные параметры ракет приведены в табл. 1. Из таблицы видно, что исследованию подвергалась реакция геомагнитного поля на запуски ракет различной массы: от 107 до 2100 т. Им (согласно классификации [15]) соответствуют ракеты средней тяжести (Рокот, Кос-мос-3М, Long March-2C, Long March-2D, Long
Таблица 1. Краткие сведения о ракетах (в скобках приведены данные для модификации Ariane 5G)
Тип ракеты Число запусков Количество ступеней Длина, м Масса, т Начальная тяга, МН Масса нагрузки, т (на высоте 200 км) Страна
Молния 2 4 40.0 305.5 4.19 1.8 Россия
Космос-ЗМ 12 2 32.4 109 1.48 1.5 Россия
Рокот 7 3 29.0 107.5 1.60 1.9 Россия
Союз 59 3 46.1 305 4.14 6.9 Россия
Днепр 8 3 29.0 268.3 - 5.5 Россия
Зенит 2 3 49.5 460 - 5.4 Россия
Протон 40 4 59.0 711 8.84 19.8 Россия
Long March-2C 13 2 35.2 192 2.79 2.4 КНР
Long March-2D 8 2 33.7 232 2.96 3.1 КНР
Long March-2F 7 2 58.3 480 5.92 8.4 КНР
Long March-3A 17 3 52.4 241 2.96 8.5 КНР
Long March-3B 2 3 54.8 425.5 5.92 12.0 КНР
Long March-4B 15 3 44.1 254 2.97 4.2 КНР
Space Shuttle 22 - 56.2 2045 28.6 29.5 США
Ariane5 (5G) 23 3 59.0 777(710) 6.47 (6.36) 21(16) ЕС
Таблица 2. Краткие сведения о космодромах
Название Координаты Расстояние от космодрома до обсерватории, км Количество запусков Страна
Широта Долгота
Плесецк 63.0° с. ш. 41.0° в. д. 1500 30 Россия
Байконур 46.0° с. ш. 63.3° в. д. 2100 100 Россия
Цеюянь 41.1° с.ш 100.3° в. д. 4800 19 КНР
Тайюань 38.8° с. ш 111.5° в. д. 5600 20 КНР
Сичан 28.1° с. ш 102.3° в. д. 5900 24 КНР
Мыс Канаверал 28.5° с. ш 80.5° з. д 9300 22 США
Куру 5.15 ° с. ш. 52.63° з. д. 9500 23 Гвиана (фр.)
March-3A), тяжелые ракеты (Днепр, Молния, Союз, Зенит, Протон, Long March-2F, Long March-3B, Long March-4B, Ariane5) и сверхтяжелые ракеты (система Space
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.