Чибис-М

• Научные задачи
• 1. Сущность исследуемой проблемы
• 2. Краткая история и состояние исследований в настоящее время
• 3. Выбор и обоснование космического аппарата для проведения КЭ
• 4. Краткое описание КЭ
• 5. Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
• 6. Новизна, оценка качественного уровня, ожидаемый эффект от проведения КЭ

Космический эксперимент «Исследования физических процессов при атмосферных грозовых разрядах на базе микроспутника «Чибис-М» с использованием грузового корабля «Прогресс»» (далее КЭ «Микроспутник») предназначен для детального изучения физических механизмов электрических разрядов в атмосфере в самом широком диапазоне энергий — от радио- до гамма-излучения. Кроме сугубо научного, изучение этого явления представляет и практическую важность. Прежде всего, сверхмощное гамма-излучение на высотах 10-20 километров — это потенциальная опасность для экипажей и пассажиров самолетов. Гамма-излучение, которое все же достигает Земли, покрывает большие площади, что может оказаться важным как с точки зрения экологии, так и с точки зрения безопасности людей. Наконец, сверхмощные одиночные радиоимпульсы имеют мощное излучение практически во всем используемом диапазоне радиоволн (до 3 ГГц и выше) и могут служить удобным природным источником излучения для создания глобального мониторинга радиосвязи.

КЭ «Микроспутник» предназначен для детального исследования одного из самых загадочных, несмотря на их частоту проявления и наблюдений, природных явлений. Последние десятилетия принесли серьезные изменения в наше понимание природы грозовых разрядов, что было также связано и с космическими исследованиями.

Наблюдатель на Земле замечает лишь небольшую часть энергии, которая выделяется при молниевых разрядах (разрядах, происходящих между облаками и землей), сосредоточенную, в основном, в оптическом диапазоне и энергии звука: то есть, фактически видит, молнию и слышит гром. Но в начале 90-х годов прошлого века гамма-обсерватория COMPTON (НАСА, время работы 1991—2000 годы) обнаружила исключительно мощные импульсы гамма-излучения земного происхождения, которые были связаны с молниевыми разрядами. Позже эти наблюдения подтвердил спутник RHESSI (НАСА, запуск 2002 года).

Кроме этого, во время гроз были обнаружены радиоимпульсы сверхвысокой мощности и энергии, создававшие радиоизлучение в очень широком диапазоне частот. Интересно отметить, что они появлялись чуть раньше самих молний — в течение 2—3 предшествующих миллисекунд. Наконец, эти импульсы был зарегистрированы на Земле .

В основе этих феноменов лежит физическое явление, которое было в начале 90-х годов теоретически предсказано А.В. Гуревичем и К.П. Зыбиным в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН. Оно получило название «пробой на убегающих электронах» [1]. Первоначально на грозовом облаке (высота приблизительно 10—20 километров) накапливается заряд. Затем, в результате некоторого «затравочного» события рождается лавина электронов низких энергий, которые, двигаясь в большом электрическом поле, созданном электрическим зарядом на грозовом облаке, разгоняются до релятивистских скоростей и генерируют мощные импульсы радио-, ультрафиолетового и гамма-излучения. Затравочным событием, как предполагается, служит попадание в промежуток между эаряженным облаком и Землей высокоэнергичных частиц космических лучей.

Весь этот процесс происходит до разряда между Землей и облаком, видимого в оптическом диапазоне, и занимает несколько сотен миллисекунд, а длительность серии всплесков — всего несколько десятков микросекунд. Наблюдать эти явления с Земли практически невозможно: поток электронов, генерирующих импульсы, направлен, в основном, вверх, и почти сразу же поглощается в атмосфере. Порожденное им излучение распространяется далее по всем направлениям, но по пути вниз, к Земле, гамма-фотоны высоких энергий опять-таки практически сразу же поглощаются земной атмосферой и лишь по дороге вверх, где ее плотность резко уменьшается, они могут проникнуть в околоземное пространство и наблюдаться спутниками.

Пути развития исследований по высотным грозовым разрядам были основной задачей гранта РФФИ по ориентированным фундаментальным исследованиям «Новые физические механизмы электрических разрядов в атмосфере», руководимого академиком РАН Гуревичем Александром Викторовичем (ФИАН). Исполнителями этого гранта (06-02-08076-офи) являлись сотрудники ФИАН, ИКИ РАН, НИИЯФ МГУ. В ходе исследований определён оптимальный приборный состав комплекса научной аппаратуры для выполнения основной задачи проекта; разработаны необходимые требования к бортовой измерительной аппаратуре в различных диапазонах электромагнитных излучений.

Важным фактором оказалось то, что оптимальный приборный состав комплекса научной аппаратуры (КНА) может иметь общий вес (массу) ~ 12 кг. Естественным стал вопрос создания микроспутниковой платформы, способной обеспечить размещение КНА, её бортовое обслуживание, передачу на Землю телеметрической информации и т.д.

Первый искусственный спутник Земли весил 83 килограмма, второй – полтонны, третий - почти полторы. Человечество осваивало космос, и с каждым годом нужно было выводить на орбиту все больше и больше полезного груза. Однако современная тенденция миниатюризации, захватывающей все области технологий, не обошли стороной и спутниковую отрасль. Благодаря успехам высоких технологий у ученых появилась возможность выводить на орбиту полноценные научно-исследовательские станции малых размеров – массой менее ста килограммов (микроспутников), обладающих целым рядом преимуществ по сравнению со своими тяжелыми «братьями».

Во-первых, стоимость запуска в космос маломассивного объекта существенно ниже «обычного» и вполне по карману даже отдельному институту. Сравнительно небольшой срок подготовки аппарата, что вкупе с невысокой ценой, существенно снижает возможные риски при неудачном выводе аппарата на орбиту. Во-вторых, он более экологичен, так как для его вывода на орбиту сжигается значительно меньше горючего. В-третьих, отработав положенный срок и перейдя в более плотные слои атмосферы, микроспутник 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 особенно научных исследований. Это естественная для любой космической техники проблема становится менее актуальной в случае микроспутников, так как цикл их подготовки не так велик.

Важно отметить, что сами работы по созданию малого КА представляет сложную научную и техническую задачу. Не случайно многие микроспутники, которые летают сегодня, представляют собой пока технологические образцы для отработки элементов систем будущих аппаратов. Таков, например, спутник PROBA-1 (Европейское космическое агентство, запуск 2001 года), название которого расшифровывается как «Проект для отработки автономных бортовых систем» (Project for On-Board Autonomy). Его масса составляет 94 кг. Спутник предназначен для технологической отработки в реальных условиях автономных систем управления, навигации, наведения, распределения времени работы приборов и сброса информации. Несмотря на то, что аппарат задумывался прежде всего как технологический эксперимент сроком на один год, он продолжает работать на орбите и сегодня как спутник дистанционного зондирования Земли

К настоящему времени были созданы десятки МС для научных исследований (МАГИОН - www.iki.rssi.ru/interball, ASTRID и MUNIN - www.isf.se),

Примеров МС достаточно много, однако необходимо отметить, что к их созданию все более активно подключаются университеты, чему также способствует низкая стоимость изготовления таких КА. Образовательная ценность МС двояка. Во-первых, сама их разработка представляет зачастую серьезную техническую задачу. Во-вторых, появляется возможность использовать в обучении данные, полученные непосредственно со спутника, что, безусловно, привлекает интерес студентов. Направленную подготовку таких специалистов крайне необходимо начинать, как факультатив, уже в средней школе, совершенствуя в последующем эти знания в ВУЗе [2].

Первым проектом Программы научно-образовательных микроспутников стал запуск 26 ноября 2001г российско-австралийского микроспутника «Колибри-2000» [3-5]. Космический аппарат был доставлен на борт Международной космической станции грузовым кораблем «Прогресс – М1-7». В ночь с 19 на 20 марта 2002 г., через четыре месяца пребывания на Международной космической станции (внутри ТГК), после отделения грузового корабля было произведено выведение микроспутника на самостоятельную орбиту. «Колибри-2000» совершил 711 витков вокруг Земли и утром 4 мая 2002 г. завершил свое существование в плотных слоях атмосферы над акваторией Тихого океана.

Анализ результатов полета первого научно-образовательного микроспутника полностью подтвердил перспективность реализации Программы [6] и дал полные основания использовать космический аппарат «Колибри-2000» в качестве базового для серии спутников с точки зрения:

– массы и габаритов;

– состава служебных систем и комплекса научной аппаратуры;

– одного из способов его запуска в космическое пространство;

– эксплуатации с использованием наземного сегмента и соответствующей инфраструктуры.

Образовательные задачи полёта «Колибри-2000» [7] решались на базе школьных проектов: школа в Обнинске (Калужская область, Россия) и две школы в Сиднее (Австралия). Учащиеся, принимая информацию по радиолюбительским каналам, получали сведения о конструкции МС, участвовали в интерпретации научных данных, готовили программы для компьютеров.

На основе вышеприведенных сведений можно сделать вывод, что российская технология обслуживания микроспутников с использованием ТГК «Прогресс-М1» обладает определенным потенциалом, который нужно использовать в зарождающейся сейчас «нише» космических товаров и услуг.

Опыт, полученный в ходе реализации проекта «Колибри-2000», использовался для дальнейшего развития микроспутниковых технологий. С 2004 года в ИКИ РАН ведутся разработки новой универсальной платформы микроспутников для целей фундаментальных и прикладных научных исследований. Тема «Создание бортовой платформы микроспутника прикладного и научного назначения на основе современных технологий и разработок» была включена в программу фундаментальных исследований Президиума РАН «Изменения окружающей среды и климата: природные катастрофы». Платформа получила название «Чибис» [8, 9].

Платформа «Чибис» рассматривается как основой для МС самого разного назначения и прежде всего для фундаментальных космических исследований. В ИКИ РАН параллельно с проектированием и созданием собственно платформы, также прорабатывался комплекс научной нагрузки и программы работы для возможных космических аппаратов на ее базе. В настоящее время в институте готовятся два варианта платформы «Чибис»: первый предназначен для изучения грозовых разрядов, второй — для мониторинга парниковых газов и катастрофических явлений в атмосфере и ионосфере Земли.

ТГК типа «Прогресс-М» является важной составляющей системы транспортно-технического обслуживания МКС, что предусматривает его регулярное использование в грузопотоке «земля-борт». Например, за время полета станции «Мир» к ней были запущены 64 корабля типа «Прогресс». Это обстоятельство необходимо учитывать при оценке объема услуг, связанных с выведением в космос перспективных микро- и наноспутников.

Для решения поставленных выше научных задач должна быть проведена разработка микроспутниковой платформы, ее служебных систем и методов бортовой обработки одновременных измерений с нескольких датчиков в высокоопросном режиме. Разработка должна ориентироваться на создание микроспутника общим весом 40 кг, способного нести 10-12 кг измерительной аппаратуры и пребывать не менее 2-х лет на низкой околоземной орбите (~ 500 км). Разработку и изготовление микроспутника «Чибис-М» проводит ИКИ РАН. Кроме ИКИ РАН, в процессе создания научной аппаратуры участвуют Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.Н. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова. Научные руководители проекта — академик РАН Л.М. Зеленый (ИКИ РАН) и академик РАН А.В. Гуревич (ФИАН).

Комплекс научной аппаратуры (КНА) «Чибис-М» должен обладать очень высоким временным разрешением (порядка наносекунды), и объем получаемой ими информации чрезвычайно велик — за очень короткое время (порядка 10 микросекунд) необходимо проанализировать и запомнить до 100 гигабайт данных. При таком объеме вести непрерывную запись наблюдений невозможно. Перед разработчиками КНА стоит проблема выбора события-«триггера», по которому данные наблюдений будут записываться в кольцевую память прибора, а затем передаваться в общую память КНА и на Землю.

Состав научной аппаратуры спутника по-настоящему уникален: впервые исследования грозовых разрядов будут проводится в столь широком спектре электромагнитных излучений. В него входят: рентген-гамма детектор, детектор ультрафиолета (разрабатываются в НИИЯФ МГУ), радиочастотный анализатор и цифровая фотокамера (ИКИ РАН). Кроме этого, в состав научного комплекса входит система сбора, анализа, хранения и передачи информации, которая разрабатывается в ИКИ.

В рамках данной программы должна быть создана и наземная инфраструктура, обеспечивающая прием и обработку информации с «Чибис-М». Центр приема и управления микроспутников организуется в Специальном конструкторском бюро космического приборостроения ИКИ РАН в г. Таруса (Калужская обл.).

В процессе полёта «Чибис-М» должны быть на первом этапе проверены заложенные в КНА «Гроза» алгоритмы выбора события-«триггера», по которому данные наблюдений будут записываться в кольцевую память прибора, а затем передаваться в общую память КНА и на Землю. Оперативное управление микроспутником в полёте должно способствовать регистрации физических параметров от грозовых разрядов.

Новизна предлагаемого подхода к исследованию новых физических механизмов электрических разрядов в атмосфере на микроспутнике «Чибис-М» заключается в:

а). Требовании субмикросекундного временного разрешения измерительной аппаратуры и разработке принципиально новой бортовой системы сбора и обработки высокоопросной информации, которые осуществляют одновременную регистрацию процессов, происходящих в радио, оптическом и гамма диапазоне.

б). Разработке, с учетом имеющегося задела и поставленной фундаментальной задачи, специальной космической платформы и комплекса научной аппаратуры. Следует отметить, что аппаратура КНА «Гроза» имеет аналоги, отработанные в ходе проведения ряда предшествующих проектов по фундаментальным космическим исследованиям (Вега, Фобос, Интербол и др.) и на микроспутниках «Колибри-2000» [9-11] и «Университетский-Татьяна».

КНА "Гроза" в ходе проведения измерений на орбите должен решать следующие научные задачи по изучению:

а) ступенчатого лидера высотных молний;

б) высотного распределения разрядов облако – поверхность Земли и облако – облако;

в) узких биполярных радио-импульсов (NBP);

г) фона радиоизлучений в дипазоне 20-50 МГц;

д) всплесков УФ излучения;

е) электромагнитных параметров космической погоды в диапазоне 10-2 – 2*104 Гц. Изучение этой задач должно осуществляться, как параллельно с изложенными выше, так и самостоятельно.

В процессе работы на орбите КНА «Гроза» должны:

- реализоваться научно-образовательная программа путем передачи в радиолюбительском диапазоне научной информации (например, с магнитно-волновых приборов) непосредственно на школьные и университетские наземные приёмные пункты. В ходе создания академических микроспутников «Чибис», в котором будут участвовать и приобретать реальный опыт молодые специалисты, использована современная концепция «летающего прибора». Это позволяет проводить научные космические исследования в России без привлечения дорогостоящих космических аппаратов, разрабатываемых предприятиями космической отрасли;

- решаться, особенно на начальном этапе полёта, методические задачи по отработке приборами КНА индивидуальных алгоритмов выработки триггеров и изучению параметров электромагнитной обстановки (ЭМО) на микроспутнике в полёте и сопоставлению с ЭМО при наземных испытаниях.

На базе полученных по телеметрическим каналам с микроспутника «Чибис-М» физических параметров должна быть проверена теория пробоя на убегающих электронах (ПУЭ), способная ответить на два основных вопроса:

- почему величина электрического поля в грозовых облаках значительно ниже критического поля, необходимого для возникновения обычного пробоя;

- какие процессы генерируют резкую вспышку гамма-излучения с энергией фотонов до 100КэВ.

В ходе работ по гранту и проводимой с 2004 года в ИКИ РАН работе по теме «Создание бортовой платформы микроспутника прикладного и научного назначения на основе современных технологий и разработок», включенной в программу фундаментальных исследований Президиума РАН, осуществлён ряд научно-методических разработок, способствующих реализации задачи исследования высотных грозовых разрядов.

1. Разработана теоретическая модель развития ступенчатого лидера высотной молнии в сильных электрических полях. Сопоставление модели с имеющимися экспериментальными данными показывает, что она находится в согласии с наблюдаемым гамма излучением со стороны Земли, фиксируемым космическими аппаратами [12].

В отличие от обычной теории, в ней одновременно учитываются три основных процесса: обычный пробой, явление убегания электронов и пробой на убегающих электронах. Показано, что в результате обычного пробоя в сильном электрическом поле происходит убегание рождающихся высокоэнергичных электронов. Часть этих электронов, энергия которых превышает критическое значение, являются первоначальной основой для пробоя на быстрых электронах, в результате которого нарастает лавина электронов релятивистских энергий. Релятивистские электроны эффективно излучают тормозные гамма кванты. Проведено сравнение предложенной модели с данными наблюдений спутника RHESSI идущих со стороны Земли гамма всплесков. Показано, что предложенная модель позволяет объяснить эти наблюдения. На основе проделанных расчетов сформулированы требования к экспериментальному изучению высотных разрядов [12]. Основным требованием является одновременное измерение радио и гамма излучений в субмикросекундном временном диапазоне. Измерение оптического и ультрафиолетового излучений должно служить цели определения местонахождения источника излучения.

2. Проведена методическая разработка экспериментального подхода к исследованию высотного разряда с использованием специализированной космической платформы нового поколения и созданию бортовой специальной аппаратуры для изучения атмосферных разрядов.

Разработка научно-методических аспектов создания специализированных микроспутниковых (~50 кг) платформ для фундаментальных и прикладных исследований Земли и околоземного космического пространства является комплексной проблемой как научно-технического плана, связанной с разработкой и использованием современных космических аппаратов, так и с научно-методическими проблемами проведения фундаментальных космических исследований [13-15]. Все эти проблемы логически связаны иерархией подготовки и проведения на борту КА экспериментов по исследованиям Земли и околоземного космического пространства.

Микроспутниковый мониторинг динамики окружающей среды является чрезвычайно эффективным и в настоящее время практически не имеющим альтернативы инструментом в силу присущих ему возможностей получения непрерывных наблюдений при глобальном охвате планеты. При этом возникает необходимость глубокого анализа имеющихся уже сегодня супермассивов спутниковых данных и обеспечения возможностей проведения принципиально новых измерений параметров окружающей среды. Используя современные достижения микроэлектроники, эти измерения можно осуществлять с помощью малых специализированных космических аппаратов, фактически представляющих собой множество «летающих приборов». Экономичность многоспутниковой орбитальной группировки определяется прежде всего стоимостью единичного аппарата.

При рассмотрении всего комплекса исследований грозовых разрядов будет осуществлён комплексный подход к решению поставленных задач путем:

• разработки новых методов экспериментальных исследований Земли и околоземного космического пространства с использованием достижений физического приборостроения, микроэлектроники и микромеханики для реализации их на микроспутниковых платформах (МП);

• разработки методов внедрения современных конструкторско-технологических решений в процесс создания конструкций и систем МП;

• теоретического анализа методов управления бортовыми системами микро- и нано- космических платформ в целях обеспечения высоких требований по их ориентации и стабилизации, предъявляемых экспериментами;

• проведения лабораторного и численного моделирования процессов управления бортовыми системами микроплатформ с целью определения критических элементов моделей.

3. Разработаны технические требования к космической платформе и её системам для обеспечения измерений в интересах основной научной задачи проекта.

В состав комплекса научных приборов (КНА «Гроза») входят:

• Рентген – гамма детектор РГД (диапазон рентгеновских и гамма излучений – 50-500 кЭв);

• Ультрафиолетовый детектор ДУФ (диапазон ультрафиолетовых излучений – 300-450 нм);

• Радиочастотный анализатор РЧА (20-50 МГц);

• Камера оптического диапазона ЦФК (пространственное разрешение 300 м);

• Магнитно-волновой комплекс МВК (0.1-40 кГц);

• Блок накопления данных БНД-Ч;

• Передатчик научной информации ПРД 2,2.

Состав научной аппаратуры является комплексным и уникальным по ширине охвата энергетического диапазона и временному разрешению при ограниченном весе приборов. Следствием этой комплексности является то, что по технически-организационным показателям перечисленная выше аппаратура рассматривается как единый прибор, называемый КНА «Гроза». Это обусловлено и тем, что фактом регистрации высотного разряда («события») является выработка блоком БНД-Ч единого триггера события на основе совпадения триггеров РГД, РЧА, ДУФ. Вся телеметрируемая научная информация, накапливаемая в БНД-Ч, передаётся на наземный приёмный пункт ИКИ РАН в г. Таруса с помощью высокоинформативного передатчика ПРД 2,2.

В ходе подготовки КЭ должен быть проведен расчёт оптимальных параметров орбиты «Чибис-М»; разработаны предложения по обеспечению слежения за аппаратом и сбросу научной информации с его борта; разработаны основные требования к системе наземного обеспечения обработки и распределения поступающих данных.

Разработка космического эксперимента, оснащенного специальным комплексом научной аппаратуры (КНА «Гроза») и ориентированного на исследования разрядов на больших высотах, является уникальным проектом по количеству и скорости измеряемых одновременно параметров. Подобный проект до настоящего времени нигде в мире не проводился, несмотря на возрастающий интерес к проблеме происхождения и механизма разрядов в верхних слоях атмосферы [16].

В данном КЭ применяется технология запуска микроспутника на заданную орбиту из стыковочного агрегата ТГК «Прогресс-М1». МС «Чибис-М» – второй научно-исследовательский спутник из серии микроспутников, которые предполагается запустить по данной технологии.

Отделение МС «Чибис-М» из транспортно-пускового контейнера (ТПК) будет производится механическим способом с возможной съемкой запуска МС на видеоаппаратуру СМ и телекамеру ТГК. В случае получения качественного изображения, видеозапись запуска МС «Чибис-М» будет распространяться в специализированной сети наземных школьных станций.

Ожидаемый эффект от проведения КЭ – выход на рынок космических товаров и услуг в перспективном направлении космической деятельности, связанным с созданием и эксплуатацией малых космических аппаратов, микро- и наноспутников XXI века.