Новые задачи для малых аппаратов

18 Фев 2016

Заседание секции «Научные задачи экспериментов по исследованию солнечно-земных связей на микро-, нано- и пико- спутниках» состоялось 16 февраля 2016 года в рамках одиннадцатой ежегодной конференции «Физика плазмы в Солнечной системе».

Тема привлекла много участников и слушателей, после заявленных четырех докладов последовало три дополнительных. Во вступительном слове председатель сессии Анатолий Петрукович, руководитель отдела физики космической плазмы ИКИ РАН, охарактеризовал современную ситуацию с наноспутниками. По статистике, успешно выполняют свою программу и дают ценные для мировой науки результаты лишь единицы. Существует несколько критериев, по которым можно судить о ценности работы микроспутников: необходимо, чтобы аппарат работал, его данные лежали в свободном доступе, была опубликована хотя бы одна статья в общефизическом журнале, а также чтобы другие ученые (не разработчики проекта) могли работать с результатами. Этим критериям соответствует только спутник CSSWE (Космический метеорологический эксперимент студентов университета Колорадо, США), который успешно отработал положенный срок, а данные выложены в архиве НАСА. Многие американские «кубсаты» переставали работать после первого включения, некоторые не включались вовсе.

Вопреки мнению, что запуск «кубсата» — это быстро и дешево, экономить на деталях, обучении персонала, испытаниях нельзя. Но задачи, которые могли бы решать такие спутники, есть, например, изучение нижней ионосферы.

Алексей Криволуцкий, заведующий лабораторией Центральной аэрологической обсерватории Росгидромета (г. Долгопрудный), представил компьютерные модели ионосферы, которые существуют на настоящий момент. Они учитывают различные факторы: галактические космические лучи, солнечное ультрафиолетовое и тепловое излучение, поток заряженных частиц, процессы и продукты ионизации. Модели позволяют установить зависимость между солнечной активностью и полным потоком (солнечной постоянной), вариациями озона, температуры плазмы, зонального ветра и других характеристик. Например, существует трехмерная фотохимическая модель CHARM (CHemical Atmospheric Research Model), которая включает стоки и источники плазмы, химическую кинетику, процессы в ионосфере. Дополненная версия этой модели, CHARM-I, учитывает ионы. Численные модели опираются на данные спутников, поэтому скоординированные непрерывные наблюдения ультрафиолетового и корпускулярного излучения очень важны: они будут использоваться в качестве входных данных и позволят создать отечественную систему мониторинга состояния атмосферы и нижней ионосферы, а также поставят на новую основу исследование солнечно-атмосферных связей.

Александр Чернышов, научный сотрудник сектора динамики атмосфер и климата ИКИ РАН, рассмотрел возможность изучения структуры ионосферы с использованием группы наноспутников. Особенно интересны полярные области, где магнитное поле сильно неоднородно и не существует проработанных численных моделей. А между тем изучение этих областей важно в том числе для корректного использования спутниковых навигационных систем, так как их сигналы сильно искажаются в арктических областях именно при прохождении через ионосферу.

Чтобы построить соответствующую модель, предлагается решить задачу нелинейной динамики, имея в качестве входных данных одновременные измерения в разных точках авроральной области ионосферы. Эти данные может поставлять группа небольших «кубсатов». Они относительно дешевы и несложны в изготовлении, им не обязательно долго находиться на орбите, поэтому отпадает необходимость в дополнительных затратах на их радиационную защиту. Если сразу будет создано достаточно большое число одинаковых спутников, то можно не только удешевить и ускорить проектирование и изготовление, но и при необходимости запустить дополнительные аппараты для вспомогательной информации.

В докладе обозначено много открытых вопросов: будут ли эти спутники управляться, как поддерживать дистанцию между ними, какое количество аппаратов необходимо. По словам Александра Чернышова, расстояние между спутниками должно быть от нескольких метров до нескольких километров.

О новом диагностическом датчике для измерений флуктуаций ионосферной плазмы, который можно установить на микро- и наноспутники, рассказал Александр Костров, сотрудник Института прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород). Прибор представляет собой распределенную резонансную систему, в которой будет возбуждаться собственная частота порядка 200 МГц. При попадании плазмы в резонатор его резонансная частота изменится, и кривая сдвинется, а по величине сдвига можно судить о диэлектрической проницаемости плазмы, которая, в свою очередь, определяется плотностью электронов.

Если в плазме есть флуктуации, то детектируемый сигнал будет иметь амплитудную модуляцию, пропорциональную флуктуациям для каждой фиксированной частоты. Таким образом можно измерить их с временным разрешением до 1 мкс, и высокая скорость движения аппарата не будет проблемой, как это было для зондов Ленгмюра на МКС.

Доклад Вадима Хоменко, главного менеджера по инновационным проектам Автономной некоммерческой организации "Научно-технический инновационный центр «ТЕХКОМ» ", был посвящен перспективе применения плазменных двигателей на микроспутниках. Речь шла об абляционном импульсном плазменном двигателе (АИПД) массой до 8 кг, который может выполнять роль корректирующей двигательной установки на спутниках до 50 кг, проводить изменение орбиты, увод с нее, поддерживать нужное положение в группировке. Принцип работы заключается с том, что начальной искрой инициируется пробой между электродами, заряженными до определенной разности потенциала. В пространстве между ними ионизируется специальное вещество (тефлон), ионы начинают двигаться, создавая ток, который вызывает магнитное поле. Возникшая электродвижущая сила действует на плазму и выталкивает ее из разрядной камеры со скоростью 20-30 км/с. Мощность такого двигателя — 90-100 Вт, а расход рабочего тела совсем небольшой. В зависимости от орбиты и частоты использования он может работать до 15 лет и теоретически способен выводить малые аппараты на межпланетные траектории.

Сложность для исследователей ионосферы заключается в том, что спутник с плазменным двигателем создает вокруг себя иную среду, вносит дополнительные ионы, изменяет условия, и действительные параметры ионосферной плазмы измерить не получится, по крайней мере во время и непосредственно после импульса. Но можно искать способы обхода этой проблемы, так как применение такого малогабаритного экономного двигателя было бы весьма эффективным для малых аппаратов.

Сессию завершила дискуссия о дальнейшей роли микро- и наноспутников в изучении ионосферы, а также о других задачах для этих аппаратов: в частности, с помощью «кубсатов», как рассказал в одном из дополнительных докладов участник из НИИЯФ МГУ, можно измерять потоки частиц из радиационных поясов Земли.

- Д.Б.

Дополнительная информация: 

Сайт одиннадцатой конференции "Физика плазмы в Солнечной системе"