Отправить статью по E-mail Радиационная обстановка на средней круговой орбите во время экстремальной магнитной бури в мае 2024 года
- Авторы: Шелепов М.Д.1, Иванов В.В.1, Кочура С.Г.1, Максимов И.А.1, Молчанов К.В.2, Прокопьев В.Ю.2
-
Учреждения:
- Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»
- Новосибирский национальный исследовательский государственный университет
- Выпуск: Том 26, № 2 (2025)
- Страницы: 291-299
- Раздел: Раздел 2. Авиационная и ракетно-космическая техника
- Статья опубликована: 30.06.2025
- URL: https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/686544
- DOI: https://doi.org/10.31772/2712-8970-2025-26-2-291-299
- ID: 686544
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В данной статье описаны результаты мониторинга радиационной обстановки на средней круговой орбите, полученные по данным экспериментального комплекса контроля дозы (ЭККД) космического аппарата (КА) разработки АО «РЕШЕТНЁВ» с круговой орбитой высотой Н = 8070 км. В статье проводится сравнение экспериментально полученных данных ЭККД с расчетными данными, полученными в ходе летной эксплуатации за два года исследования, а также рассматривается влияние экстремального геомагнитного возмущения в мае 2024 г. на скорость набора поглощенной дозы. Следует отметить, что данная орбита для российских разработчиков КА является малоизученной с точки зрения воздействия факторов космического пространства.
Метод проведения эксперимента заключается в создании различных условий массовой защиты для каждого из девяти датчиков. Массовая защита варьируется благодаря установке стальной решетки с различными толщинами ячеек. Таким образом, каждый чувствительный элемент находится в уникальных условиях облучения – массовая защита ослабляет поток ионизующих излучений и изменяет их спектр (по-разному для каждого вида излучения).
При освоении нового типа орбиты для эксплуатации КА, актуальной является задача обеспечения стойкости бортовой аппаратуры и КА в целом к воздействию факторов ионизирующего излучения космического пространства, характерных на данной орбите. Для этого необходимо экспериментальное подтверждение или уточнение на базе полученных натурных данных расчётной радиационной модели воздействия.
Основной задачей, которая решается в статье, является проведение мониторинга уровней интегральной накопленной дозы за различными защитами при воздействии ионизирующего излучения космического пространства на орбите 8070 км и сравнение результатов экспериментальных данных с расчётными оценками, проведенными по ОСТ134-1044-2007.
В статье отражены результаты проведенных впервые в отечественной практике долговременных измерений поглощенной дозы ионизирующего излучения для КА с такой орбитой. В результате измерений было установлено, что после экстремальной магнитной бури происходит значительное увеличение скорости набора дозы. Это привело к тому, что зарегистрированная за 722 дня доза превышает расчетное значение.
Полный текст
ВВЕДЕНИЕ
Экспериментальный комплекс контроля дозы (ЭККД) предназначен для контроля влияния радиационных воздействий на космический аппарат (КА) [1; 2]. ЭККД обеспечивает измерения уровней поглощённых доз ионизирующих излучений космического пространства.
ЭККД выполнен в виде моноблока, включающего в себя матрицу модулей регистрации интегральной накопленной дозы (матрица МРИНД). Регистрация ионизирующих излучений производится с помощью идентичных чувствительных элементов МРИНД, расположенных по сетке 3×3. Под воздействием радиации в чувствительном элементе происходит деградация проводимости канала во встроенном полевом транзисторе. Таким образом, измеряя падение напряжения на чувствительном элементе при пропускании через него постоянного тока можно судить о величине интегральной накопленной дозы радиации.
Идея эксперимента заключается в создании различных условий массовой защиты для каждого из девяти МРИНД. Массовая защита варьируется благодаря установке стальной решетки с различными толщинами ячеек. Таким образом, каждый чувствительный элемент находится в уникальных условиях облучения – массовая защита ослабляет поток ионизующих излучений и изменяет их спектр (по-разному для каждого вида излучения).
В данной статье приведены результаты измерения дозовых нагрузок ионизирующего излучения за различными массовыми защитами на орбите с высотой Н = 8070 км за периодс 23.10.22 по 14.10.2024 (722 дня). Данный период приходится на первую половину 25-го солнечного цикла [3] и характеризуется повышенной гелиофизической и геомагнитной активностью. Так, в мае 2024 г. была зарегистрирована сильнейшая за последние 20 лет магнитная буря [4]. В статье рассмотрен эффект влияния данной бури на радиационную обстановку на орбите КА. При анализе использовались значения геомагнитных индексов Dst и Kp, а также данные спутников с круговыми орбитами Н = 20000 км и Н = 36000 км.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
На рис. 1 приведены данные ЭККД за 722 дня и их сравнение с теоретической оценкой (методика расчета теоретических значений приведена в [5]): датчик 0,3 мм – исключен (достигнут предел измеряемой дозы); датчик 1 мм – исключен; датчик 7,5 мм – показания меньше расчетного значения в 1,38 раз; для остальных датчиков зарегистрированная поглощенная доза превышает расчетную ≈ в 1,5 раза.
Рис. 1. Данные ЭККД за 722 дня
Fig. 1. EDCC data for 722 days
На рис. 2 приведены графики набора дозы в зависимости от времени для различных защит ЭККД. Из графиков видно, что скорость набора дозы резко возросла после экстремальной магнитной бури 10 мая и сохранялась на высоком уровне в период между 12.05.24 и 30.06.24. Аномально быстрый набор дозы в этот период стал причиной превышения расчетных значений. Для определения механизмов влияния геомагнитного возмущения на радиационную обстановку, нами были рассмотрены данные потоков частиц ионизирующего излучения с КА на круговых орбитах различной высоты.
Рис. 2. Набор дозы ЭККД в зависимости от времени для различных защит (в мм алюминия)
Fig. 2. Dose set of EDCC depending on time for different protections (in mm of aluminum)
На рис. 3 приведены уровни потоков протонов солнечных космических лучей (СКЛ) по данным КА «GOES» [6] (геостационарная орбита), значения Dst-индекса геомагнитной активности, уровни потоков высокоэнергетичных (E > 2Мэв) электронов на геостационарной орбите и орбите 20000 км.
Рис. 3. Уровни потоков протонов СКЛ по данным КА «GOES», Dst-индекс геомагнитной активности, уровни потоков высокоэнергичных электронов на геостационарной орбите и орбите 20000 км
Fig. 3. Levels of proton fluxes of the SCR according to the GOES spacecraft data, Dst index of geomagnetic activity, levels of high-energy electron fluxes in the geostationary orbit and the 20000 km orbit
Как видно по рис. 3, 11.05.2024 было зарегистрировано значительное повышение уровня потоков протонов СКЛ (в 45 раз больше фона для протонов с E > 100 Мэв), за которым последовала мощнейшая магнитная буря (Dst достигал –412 нТл). Вследствие этой магнитной бури возросли потоки высокоэнергетичных электронов внешнего радиационного пояса Земли (РПЗ). Однако видно, что поток электронов на геостационарной орбите быстро убывает, в то время как поток на орбите 20000 км сохраняет значение >1500 см–2*сек–1*ср-1 вплоть до 30.05.24. Такая динамика может объясняться смещением области РПЗ с наибольшей концентрацией электронов (максимум РПЗ) ближе к Земле. Подобная ситуация описывается в [7–10]. В этом случае геостационарная орбита уже не будет попадать в область РПЗ. А при достаточно сильном смещении в область РПЗ может попасть орбита 8070 км, что могло бы объяснить аномально высокую скорость набора дозы на данной орбите.
ДИНАМИКА РАДИАЦИОННЫХ ПОЯСОВ
Согласно закономерности, связывающей положение максимума внешнего РПЗ в L-коорди-натах (L-параметр Мак-Илвайна) с Dst-индексом геомагнитного возмущения [7],
|Dstmax| = 2,75 * 104/L4max. (1)
Так, для Dst = –412 максимум РПЗ должен опуститься на Lmax = 2,85. При этом значение максимума в спокойные периоды Lmax ≈ 4. Орбита 8070 км в районе экватора достигает L = 2,25, т. е. ниже, чем предполагаемое положение максимума внешнего РПЗ после бури. Динамика радиационных поясов во время магнитных бурь схожей амплитуды описана в [11], где отмечается возможность формирования нового максимума РПЗ в диапазоне L от 2,3 до 3. Так, во время бури 24.03.1991 (Dst = –300 нТл) сформировался пик пояса электронов с Е > 8 Мэв на L = 2,3, и с Е ≈ 2 Мэв на L = 3,1 [12].
Также во время сильных магнитных бурь возможен захват протонов внутренним РПЗ с формированием в области 2 < L < 2,5 дополнительного максимума протонов с энергиями 20÷70 Мэв [13; 14]. По данным КА CRRES [15], после бури в марте 1991 г. на L≈2,8 сформировался новый пояс протонов с энергиями в десятки Мэв, эквивалентный стабильному РПЗ, имеющему максимум на L ≈ 1,5.
Рис. 4. Набор дозы в зависимости от времени для различных орбит
Fig. 4. Dose set depending on time for different orbits
Так как в ЭККД отсутствует аппаратура для регистрации потоков частиц ионизирующего излучения, для определения динамики смещения положения РПЗ целесообразно провести сравнение динамики скорости набора дозы на КА, находящихся на орбитах 20000 и 8070 км за период 20.12.23 – 26.08.24 (рис. 4). Для данного сравнения графики были отнормированы так, чтобы совпадал перепад значений в период между 12.05.24 и 13.07.24.
Как видно из графиков, на 20000 км скорость набора дозы резко повышается сразу после бури, при этом на 8070 км рост скорости начинается примерно через 11 дней. Такая динамика может объясняться постепенным смещением РПЗ с последующей стабилизацией напряженности магнитного поля Земли и восстановлением положения РПЗ до предбуревого уровня.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Радиационная обстановка на средней круговой орбите H = 8070 км является малоизученной, поэтому ее исследование представляет значительный интерес для разработчиков космической техники, эксплуатируемой на данной орбите. В статье отражены результаты проведенных впервые в отечественной практике долговременных измерений поглощенной дозы ионизирующего излучения для КА с такой орбитой. В результате измерений было установлено, что после экстремальной магнитной бури происходит значительное увеличение скорости набора дозы. Это привело к тому, что зарегистрированная за 722 дня доза превышает расчетное значениес погрешностью не более 10 %: для защит 2 и 3 мм – в 1,18 и 1,24 раз соответственно, для защит 2,5 и 4,8 мм – в 1,54 раз, для защиты 4 мм – в 1,62 раз, для защиты 6,3 мм – в 1,75 раз. По мнению авторов, эти процессы могут быть обусловлены изменением напряженности магнитного поля Земли с последующим смещением границ радиационных поясов.
Об авторах
Марк Дмитриевич Шелепов
Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»
Автор, ответственный за переписку.
Email: shelepovmd@iss-reshetnev.ru
ORCID iD: 0000-0003-3940-4937
кандидат физико-математических наук, инженер-конструктор 2 категории
Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52Владимир Васильевич Иванов
Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»
Email: ivanov@iss-reshetnev.ru
ORCID iD: 0009-0009-0127-4162
кандидат технических наук, заместитель начальника отдела
Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52Сергей Григорьевич Кочура
Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»
Email: kochura@iss-reshetnev.ru
ORCID iD: 0009-0009-0844-8487
кандидат технических наук, доцент, заместитель генерального конструктора по электрическому проектированию и системам управления космическими аппаратами
Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52Игорь Александрович Максимов
Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»
Email: mia@iss-reshetnev.ru
ORCID iD: 0009-0005-5953-4909
доктор технических наук, начальник отдела
Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52Константин Владимирович Молчанов
Новосибирский национальный исследовательский государственный университет
Email: K.molchanov@nsu.ru
ORCID iD: 0009-0002-6560-3649
инженер 2 категории отдела аэрокосмических исследований
Россия, 630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 1Виталий Юрьевич Прокопьев
Новосибирский национальный исследовательский государственный университет
Email: vprok@cosmos.nsu.ru
ORCID iD: 0000-0001-9314-5492
заведующий отделом аэрокосмических исследований
Россия, 630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 1Список литературы
- Балашов С. В., Иванов В. В., Максимов И. А. Мониторинг условий эксплуатации космических аппаратов посредством бортовой аппаратуры контроля негативных факторов // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2003. С. 41–42.
- Тестоедов Н. А., Кочура С. Г., Максимов И. А. Система мониторинга уровней воздействия космической среды на космические аппараты разработки АО «Информационные спутниковые системы» // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 4. С. 849–856.
- SpaceWeatherLive [Электронный ресурс]. URL: www.spaceweatherlive.com/ru/solnechnaya-aktivnost/solnechnyy-cikl.html (дата обращения: 18.02.2025).
- Магнитная буря 10-12 Мая 2024 года, ИКИР ДВО РАН [Электронный ресурс]. URL: www.ikir.ru/ru/News/news_0353.html (дата обращения: 18.02.2025).
- ОСТ 123-1044 – изменение 1. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование космических аппаратов. Методы расчёта радиационных условий на борту космических аппаратов и установления требований по стойкости радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию заряженных частиц космического пространства естественного происхождения. 2017.
- Центр анализа космической погоды НИИЯФ МГУ [Электронный ресурс]. URL: https://swx.sinp.msu.ru (дата обращения: 18.02.2025).
- Тверская Л. В. О границе инжекции электронов в магнитосферу Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26, № 5. С. 864–865.
- Возрастание солнечных протонов и динамика внешнего радиационного пояса электронов во время солнечных экстремальных событий в декабре 2006 г. / Л. В. Тверская, С. В. Балашов, Н. Н. Веденькин и др. // Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т. 48, № 6. С. 751–758.
- Контроль радиационной обстановки на высокоапогейных космических аппаратах / Н. А. Власова, И. В. Гецелев, Т. А. Иванова и др. // Космонавтика и ракетостроение. 2003. Вып. 1(30). 6 с.
- Мониторинг радиационной обстановки на геостационарной орбите в максимуме 23-го цикла солнечной активности / Т. А. Иванова, Н. Н. Павлов, И. А. Рубинштейн и др. // Физические проблемы экологии (экологическая физика). 2001. № 6. С. 12–20.
- Модель космоса : науч.-информ. изд-е ; в 2 т. / под ред. М. И. Панасюка, Л. С. Новикова. Т. 1: Физические условия в космическом пространстве. М. : КДУ, 2007. С. 526–547.
- Multisatellite characterization of the large energetic electron fluxes increase at L=4–7, in the five-day period following the March 24, 1991 solar energetic particle event / J. C. Ingraham, T. E. Cayton, R. D. Belian et al. // Workshop on the Earth’s Trapped Particle Environment. AIP Conf. Proc. 1996. P. 103–108.
- Тверская Л. В. Динамика радиационных поясов Земли // ВМУ. Сер. 3: Физика. Астрономия. 2010. № 4. С. 12–17.
- Observation and simulation of the rapid formation of a new electron radiation belt during March 24, 1991 SSC / X. Li, M. K. Hudson, J. B. Blake et al. // Workshop on the Earth’s Trapped Particle Environment. AIP Conf. Proc. 1996. P. 109–118,
- Identification of an unexpected space radiation hazard / J. B. Blake, M. S. Gussenhoven, E. G. Mullen, R. W. Fillius // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1992. Vol. 39. P. 1761–1765.
Дополнительные файлы
