SOME RESULTS OF “PLASMA-PROGRESS” AND “RADAR-PROGRESS” ACTIVE SPACE EXPERIMENTS

Full Text

Начиная с 2007 г. ракетно-космическая корпо- после отстыковки от международной космической рация «Энергия» им. С. П. Королева, ФГУП «Цен- станции. Используется наземный комплекс оптикотральный научно-исследовательский институт маши- электронных и радиофизических инструментов ИСЗФ ностроения» и Институт солнечно-земной физики СО РАН. Основным исследовательским инструмен-Сибирского отделения Российской академии наук том является Иркутский радар некогерентного рас-(ИСЗФ СО РАН) проводят активные космические сеяния (ИРНР) [1]. эксперименты (КЭ) «Радар-Прогресс» (до 2010 г. Сеансы КЭ проводятся во время нахождения ТГК «Плазма-Прогресс») по исследованию пространст- «Прогресс» в основном лепестке диаграммы направвенно-временных характеристик ионосферных воз- ленности (ДН) ИРНР при определенном сочетании мущений, генерируемые высокоскоростной выхлоп- известных условий, таких как: гелио-геофизические ной струей жидкостных реактивных двигателей обстановка, тип ЖРД, координаты ТГК, положение (ЖРД) транспортного грузового корабля (ТГК) серии Солнца, направление скорости выхлопной струи ЖРД. «Прогресс». ТГК привлекаются к участию в КЭ в ре- К настоящему времени выполнено 12 сессий, в течежиме автономного полета на высоте ~3 50-400 км ние которых проведено 63 сеанса. Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (Государственный контракт № 14.518.11.7065, соглашения № 8388 и 8699) и РфФи (гранты № 13-05-00456-а и 13-0200957-а). 160 Вестник СибГАУ. N 5 (51). 2013 Длительность пролета ТГК в основном лепестке ДН составляет 15-20 с. Включались или одновременно 8 двигателей причаливания и ориентации с суммарным расходом топлива 376 г/с или один сближающе-корректирующий двигатель (СКД) с расходом 1 кг/с. Длительность работы варьировалась от 5 до 11 с. Направления скорости выхлопной струи: по направлению движения ТГК («на торможение»); против направления движения ТГК («на ускорение»); на север в плоскости местного горизонта ТГК («на север»); навстречу радиолучу ИРНР («на РНР»). С целью восстановления фоновых значений ионосферы ИРНР включается за несколько часов до сеанса КЭ. Для исследования пространственно-временных характеристик ионосферных возмущений вызванных высокоскоростной выхлопной струей ЖРД измерения на ИРНР продолжаются в течение нескольких часов после пролета ТГК. ИРНР работает в штатном режиме измерений высотного профиля электронной концентрации Ne(h) методом некогерентного рассеяния [1]. Отличительной особенностью КЭ «Плазма-Прогресс» и «Радар-Прогресс» является слабое техногенное воздействие на ионосферную плазму. В одном сеансе сжигается от 2 до 11 кг ракетного топлива. Выхлопная струя инжектируется в ионосферу на дуге орбиты ТГК до 90 км. Исследование отклика ионосферной плазмы на выбросы малых масс выхлопных газов представляет особый интерес. Изучаются процессы образования и эволюции, динамические характеристики искусственно создаваемых ионосферных возмущений в заданном месте и известное время. Результаты КЭ важны для разработки теоретических и математических моделей выхлопной струи ЖРД, процессов взаимодействия ее с ионосферной плазмой, проверки самих ионосферных моделей. Уже первые сеансы КЭ «Плазма-Прогресс» выявили значимые эффекты воздействия малых масс выхлопных газов на ионосферную плазму [2]. После включения ЖРД в ионосфере образуется область пониженной концентрации электронов, своеобразная «дыра», которая увеличивается по мере распространения продуктов выброса. Параметры «дыры» зависят от геометрии эксперимента, типа ЖРД, уровня фоновой концентрации электронов и массы инжектированных газов. Наиболее эффективным для КЭ является направление выхлопной струи «на РНР», практически совпадающее с силовой линией геомагнитного поля. Например, 20.09.2007 г. при включении СКД с направлением выхлопной струи «на РНР» и расходом топлива 5,1 кг образовалась «дыра» с высоты орбиты ТГК (350 км) до 250 км с пониженной (до 40 % от фоновой) электронной концентрацией [2]. Время существования возмущения составило 20 мин. Первые результаты КЭ показали прямую связь амплитуды возникающих неоднородностей от типа включаемого ЖРД: при включении более мощного СКД масштабы «дыры» были больше. Поэтому начиная с 2009 г. включается только СКД. Результаты КЭ, полученные в 2008 и 2009 гг. подтвердили зависимость параметров «дыры» от уровня фоновой ионосферы. Это были годы затянувшегося минимума солнечной активности и низкого уровня фоновой Ne(h). После включения ЖРД возникали очень слабые возмущения, регистрация которых затруднена из-за технических возможностей ИРНР. Несколько неожиданным результатом стал тот факт, что в сеансах со схожими условиями КЭ (тип ЖРД, масса и направление инжекции выхлопных струй, время включения и длительность работы СКД) регистрировались совершенно разные по масштабам ионосферные возмущения. Обсудим это на примере проведенных измерений Ne(h) в сентябре 2010 г., когда во всех сеансах направление выхлопных струй было «на север». Ne(h) до и после работы СКД представлены на рис. 1. Максимальное снижение электронной концентрации 1.09.2010 г. составило ~40 % (рис. 1, а) и ~30 % 4.09.2010 г. (рис. 1, б). Концентраци я электронов, We 1O^Vcwri Концентрация электронов, Ne 10^/сн^ а б Рис. 1. Динамика Ne(h) при включении СКД «на север»: а - в 13:20:02 UT, расход топлива 7,5 кг; б - в 12:59:30 UT, расход топлива 7,44 кг 161 Раздел 2. Радиофизические методы диагностики окружающей среды. Алгоритмы, инструменты и результаты Концентрация электронов а КЬнцентраци я электроно в б Рис. 2. Динамика Ne(h) при включении СКД «на север»: а - в 13:44:57 UT, расход топлива 7,0 кг; б - в 12:34:42 UT, расход топлива 7,44 кг 01234 02468 Концентрация электронов, NfiIO5Zcwi3 Концентрация электронов, NeIО5/™3 а б Рис. 3. Динамика Ne(h) при включении СКД «на РНР»: а - в 11:19:22 UT, расход топлива 9,0 кг; б - в 10:23:55 UT, расход топлива 9,0 кг На рис. 2 представлены Ne(h) при тех же условиях КЭ, что и на рис. 1. Различия между Ne(h) до и после включения СКД лежат в пределах статистической погрешности измерений. В последние годы условия проведения КЭ ухудшаются из-за постоянного подъема орбиты МКС, а значит и ТГК «Прогресс». Если в 2007 г. средняя высота орбиты составляла 340 км, то в марте 2013 г. ее подняли до 410,4 км. А высота расположения максимума электронной концентрации располагается на высотах от 250 до 350 км (315 км в сеансе 20.09.2007 г. и 280 км 24.04.2012 г.). Получается, что в последних сеансах КЭ СКД включается на высотах, где электронная концентрация в 1,5-2 раза ниже, чем максимальное значение Ne(h). Вследствие этого регистрируются или слабые ионосферные возмущения, или их не удается диагностировать (рис. 3). По результатам 2012 г. принято решение перед проведением КЭ снижать орбиту ТГК до высот 300-350 км. Результаты проведенных сеансов КЭ показали, что выбросы небольших масс выхлопных газов могут генерировать отрицательные возмущения электронной концентрации с размерами десятки км и временами существования от 10 до 20 мин. Амплитуды вариаций параметров ионосферных возмущений достигали от 20 до 40 % от фоновых значений. Наблюдаемость и параметры возмущений зависят от гелио-геофизи-ческих условий, ионосферных процессов, массы и направления скорости выхлопных струй. Наибольшие масштабы ионосферных возмущений наблюдались в сеансах при включении более мощного СКД и направлением выхлопных струй «на РНР», почти параллельным магнитным силовым линиям.

About the authors

V. V. Khakhinov

Institute of Solar-Terrestrial Physics of the Russian Academy of Sciences Siberian branch

Email: khakhin@iszf.irk.ru
126a Lermontov st., Irkutsk, 664033, Russia

A. P. Potekhin

Institute of Solar-Terrestrial Physics of the Russian Academy of Sciences Siberian branch

126a Lermontov st., Irkutsk, 664033, Russia

V. P. Lebedev

Institute of Solar-Terrestrial Physics of the Russian Academy of Sciences Siberian branch

126a Lermontov st., Irkutsk, 664033, Russia

D. S. Kushnarev

Institute of Solar-Terrestrial Physics of the Russian Academy of Sciences Siberian branch

126a Lermontov st., Irkutsk, 664033, Russia

S. S. Alsatkin

Institute of Solar-Terrestrial Physics of the Russian Academy of Sciences Siberian branch

126a Lermontov st., Irkutsk, 664033, Russia

References

Supplementary files