Общие сведения

Комплекс научной аппаратуры

Космический эксперимент

Литература

Общие сведения

Космический эксперимент (КЭ) "Вариант" на спутнике Сич-1М осуществлен в начале 2005 г. Научный руководитель проекта – д.т.н. В.Е. Корепанов (тогда зав. отделом ЛЦ ИКИ), организации-исполнители указаны в табл. 2.1. Цель эксперимента: исследование тонкой структуры электромагнитных полей и токов в ионосферной плазме. "Вариант" первый и пока единственный научный проект, реализованным под эгидой НКАУ.

Комплекс научной аппаратуры "Вариант" (далее КНАВ) состоял из датчиков плотности электрического тока (щелевых зондов Ленгмюра, пояса Роговского и цилиндров Фарадея), датчиков электромагнитного поля (электрических зондов, индукционных и феррозондового магнитометров) и системы сбора научной информации (ССНИ).

24 декабря 2004 г. "Сич-1М" был запущен на нештатную орбиту с наклонением 83°, апогеем 650 км, перигеем 283 км. За короткое время активного функционирования Сич-1М было получено и передано на Землю приблизительно 230 Мб данных КНАВ.

Таблица 2.1. Участники проекта "Вариант"

Страна	Организация	Вклад в проект
Украина	Львовский центр института космических исследований НАНУ-НКАУ (ЛЦ ИКИ) Институт космических исследований НАНУ и НКАУ (ИКИ) Государственное предприятие “КБ “Южное” (ГП “КБ “Южное”)	Руководство проектом Приборы: волновые зонды WZ, электрические зонды EZ, магнитометр FZM. Блок ССНИ: VLF-2 Разработка научной программы КЭ Обработка и создание каталога экспериментальных данных Интеграция КНАВ в состав Сич-1М, управление КЭ, прием информации
Россия	Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН)	Приборы: волновые зонды WZ, цилиндры Фарадея FC
Польша	Центр космических исследований Польской академии наук (CBK PAN)	Приборы: блок ССНИ “VLF-1”
Франция	Лаборатория физики и химии окружающей среды (LPCE/CNRS)	Приборы: пояс Роговского ZF
Великобритания	Шеффилдский университет	Приборы: цилиндры Фарадея FC

Комплекс научной аппаратуры

Решение о проведении эксперимента "Вариант" на борту спутника дистанционного зонди¬рования Земли (ДЗЗ) Сич-1М было принято НТС НКАУ 18 сентября 1997 года. К тому времени полезная нагрузка Сич-1М уже была укомплектована, и ожидалось, что скоро состоится запуск. Тем не менее, В.Е. Корепанов убедил руководство НКАУ в целесообразности установки на спутнике «еще одного очень маленького прибора» – волнового зонда WZ. В дальнейшем, по мере того как запуск Сич-1М откладывался, в его полезную нагрузку добавлялись все новые и новые очень маленькие приборы, и, в конце концов, КНАВ вырос в солидный измерительный комплекс. (Слова в кавычках – из ироничного изложения истории "Варианта" В.С. Гладилиным, курировавшим подготовку проекта со стороны ГП "КБ "Южное".) Накануне запуска Сич-1М была модернизована радиолиния передачи данных на Землю, что позволило добавить в КНАВ современную ССНИ. Участниками проекта стали 7 организаций из 5 стран мира.

Рисунок 2.1. Общая компоновка Сич-1М и расположение датчиков КНАВ.

Инструментальный комплекс проекта "Вариант" создавался как прообраз нового типа прибора для диагностики волновых процессов в плазме. Остановимся на этом подробнее.

Специфика спутниковых экспериментов заключается в том, что вследствие эффекта Доплера на борту КА всегда измеряется смещенная частота сигнала: w' = w - k_xV_sc, где w частота в покоящейся системе отсчета,k_x - компонента волнового вектора вдоль траектории спутника, V_sc - орбитальная скорость спутника. Поскольку k_x неизвестно, без дополнительных предположений невозможно определить ни частоту сигнала w, ни волновой вектор. Эта проблема известна в литературе как проблема разделения временных и пространственных вариаций. О.Л. Вайсберг (1985) был первым, кто показал, что полный спектр волнового процесса {w, k_x, k_y, k_z} можно вычислить по данным одновременного измерения магнитного поля и электрического тока на одном КА.

Однако прямое измерение электрического тока в космической плазме представляет собой значительную проблему. Фактически, существует только один апробированный в космических экспериментах тип датчика, который с некоторыми ограничениями может быть отнесен к измерителям электрического тока – цилиндр Фарадея. Целью проекта "Вариант" стало испытание датчиков тока и других типов. Для этого в КНАВ было введено сразу три независимых прибора: щелевой зонд Ленгмюра в составе волнового зонда WZ (Wave Zoned), пояс Роговского ZF (аббревиатура не поддаётся расшифров¬ке) и, как эталон, цилиндр Фарадея FC (Faraday Cup). Приборы типа пояса Роговского широко применяются на Земле в установках термоядерного синтеза, но на ракетах и спутниках до сих пор не давали надежных результатов. А волновой зонд WZ вообще является новой совместной разработкой ЛЦ ИКД и ИКИ РАН, предназначенной для одновременного измерения 1-й компоненты плотности тока, 1-й компоненты магнитного поля и потенциала электрического поля, т.е. набора физических величин, необходимых для восстановления параметров волнового процесса по Вайсбергу.

Кроме датчиков тока на Сич-1М были установлены 4 зонда электрического потенциала EZ (Electric Zoned), индукционные магнитометры в составе WZ и феррозондовый магнитометр FZM (Ferro-Zoned Magnetometer). Рабочие полосы частот приборов FZM и WZ были подобраны таким образом, чтоб перекрыть диапазон от нуля до ОНЧ (очень низких частот).

Параметры КНАВ приведены в табл. 2.2. Расположение датчиков на борту КА показано на рис. 2.1.

Таблица 2.2. Комплекс научной аппаратуры "Вариант".

Приборы	Измеряемая величина	Масса, мощность	Разработчики
4 электрических зонда EZ	Электрический потенциал: диапазон частот 0 - 200 кГц шум 10-6 В/Гц1/2	0,2 кг, 0,1 Вт	В. Корепанов А. Сухинюк (ЛЦ ИКИ)
2 волновых зонда WZ	Магнитное поле: диапазон частот 0,1 Гц -40 кГц шум 10-5 нТл /Гц1/2 Плотность тока: диапазон частот 0,1 Гц -40 кГц шум 10-12 А/см2Гц1/2 Электрический потенциал: диапазон частот 0,1 Гц -40 кГц шум 10-5 В /см2Гц1/2	0,65 кг 0,25 Вт	В. Корепанов (ЛЦ ИКИ) С. Климов (ИКИ РАН)
Пояс Роговского ZF	Плотность тока: диапазон частот 0,1 Гц -400 Гц шум 10-12 А/см2Гц1/2		Ф. Лефевр, В.Красносельских (LPCE/CNRS)
2 цилиндра Фарадея FС	Плотность тока: диапазон частот 0 - 1000 Гц шум 10-10 А/см2Гц1/2		Х. Аляйн, М. Балихин, (Шеффилдский Университет)
Магнитометр FZM	Вектор магнитного поля: диапазон частот 0 - 0.5 Гц шум 0,1 нТл	0,4 кг 0,8 Вт	Р. Беркман, С. Беляев (ЛЦ ИКИ)
Бортовая система сбора научной информации ССНИ	Процессор 486, 12-разрядное АЦП, ОЗУ 64 MB, дисковая память 48 MB, макс. частота опроса 500 кГц	1,4 кг 4 Вт	Й. Юхневич (CBK PAN) В. Раков (ЛЦ ИКИ)

КНАВ формировал на выходе следующие сигналы измерений:

EZ1, EZ2, EZ3, EZ4 – электрические потенциалы 4-х датчиков EZ, по которым вычислялись:

E1~, E2~, E3~ – три косоугольных компоненты вектора электрического поля;

E1=, E2=, E3= – три компоненты квазипостоянного электрического поля, полученные путём низкочастотной фильтрации данных EZ;

Bx~, By~ – две компоненты магнитного поля по данным волновых зондов WZ;

Jyz~, Jxz~ – две косоугольных компоненты плотности тока по данным WZ;

Jez1~, Jez2~ – z-компоненты плотности тока, собираемые цилиндрами Фарадея FС отдельно из верхней (z > 0) и нижней (z < 0) полусферы;

Jez1=, Jez2= – z-компоненты квазипостоянного тока после низкочастотной фильтрации данных FС;

JFz~ – z-компонента плотности тока по данным пояса Роговского ZF;

Bx, By, Bz – три компоненты вектора квазипостоянного магнитного поля по данным феррозондового магнитометра FZM.

На рис. 2.2 представлена векторная схема измеряемых величин. Частотные диапазоны датчиков показаны на рис. 2.3.

a

б

Рисунок 2.2. Компоненты векторов плотности тока, электрического поля и магнитного поля, измеряемые датчиками КНАВ в системе координат КА: а) переменные поля f > 1 Гц, б) постоянные поля f < 1 Гц.

Рисунок 2.3. Частотные диапазоны приборов КНАВ.

За время подготовки проекта (с 1997 г. по 2004 г.) состоялось девять рабочих совещаний и большое количество неформальных встреч участников проекта. Научная программа "Варианта" описана в (Korepanov et al, 2000). С учетом запланирован¬ных параметров орбиты Сич-1М (высота 650±30 км, наклон 82.5°), возможностей ССНИ и радиолинии для передачи данных на Землю, были разработаны циклограммы космических измерений.

В период наземной подготовки проекта, в вакуумной камере плазменной газо¬динамической установки Института технической механики НАНУ-НКАУ (ИТМ) было проведено моделирование работы КНАВ.

Космический эксперимент

В 2004 г. лётный комплект КНАВ был передан в ГП "КБ "Южное" для инсталляции на борт Сич-1М. Запуск состоялся 24 декабря 2004 года с высокоширотного космодрома Плесецк (Россия), момент запуска запечатлён на рис. 2.4 а.

Из-за аварии двигателей третьей ступени ракетоносителя Циклон-3, спутник вышел на незапланированную орбиту с апогеем 650 км, перигеем 283 км и наклоном 83°. Такая орбита могла бы только добавить эксперименту "Вариант" научной ценности, поскольку ни один из современных спутников не спускается низко в ионосферу (последним был Dynamics Explorer 2 в 1981 - 1983 гг.), а ведь именно на высотах 200...400 км плазменные возмущения наиболее сильны и динамические возмущения ионосферы наиболее заметны. Наблюдения с использованием мощных возможностей КНАВ могли бы предоставить важную и даже уникальную информацию о явлениях, исследование которых было в свое время целью проекта "Предупреждение".

Однако, орбита Сич-1М, погруженная со стороны перигея в плотную атмосферу, делала практически невозможной стабилизацию КА за счёт гравитационной штанги. Кроме того, на 7-м витке во время отстрела субспутника МС-1-ТК (дополнительной нагрузки к Сич-1М), субспутник, вероятно, зацепил выступающую антенну, в результате чего Сич-1М стал вращаться вокруг своих осей. Наихудшим образом это сказалось на работе солнечных батарей, которые в штатном режиме должны были быть постоянно направленными на Солнце. Дальнейшее неудачное управление полётом привело к полному израс¬ходованию запаса рабочего тела, причем стабилизации КА так и не было достигнуто.

а

б

Рисунок 2.4. а) Запуск ракетоносителя Циклон-3 со спутником Сич-1М (24 декабря 2004 г.), б) последние секунды жизни Сич-1М в плотных слоях атмосферы (15 апреля 2006 г.)

"Вариант" стал единственным из запланированных экспе¬риментов, проведение которого не потеряло смысл. Более того, в аварийной ситуации, которая сложилась на борту, на протяжении длительного времени работали только датчики КНАВ, благодаря чему была достигнута исключительно высокая электромагнитная чистота КА. В такой ситуации В.Е. Корепанов призывал руководство НКАУ и ГП "КБ "Южное" отдать все ресурсы осуществлению "Варианта", вместо того чтобы пытаться стабилизировать КА и экспериментировать с включениями приборов ДЗЗ. Но на этот раз его аргументы не были восприняты. В конечном итоге спутник всё равно был потерян, "Вариант" всё равно стал единственным проведенным на борту экспериментом (в какой-то мере оправдывавшем запуск Сич-1М), но при этом была осуществлена только мизерная часть запланированного в этом эксперименте. В мае 2005 года система бортового питания КА вышла из строя, и Сич-1М прекратил активное функционирование. Cпутник сгорел в плотных слоях атмосферы в апреле 2006 г. (рис. 2.4 б), срок его жизни составил 477 суток.

Всего было проведено 11 включений КНАВ длительностью от двух до двадцати минут. Из-за случайности моментов включений, их небольшого количества и малой продолжительности основные задания проекта, связанные с мониторингом ионосферы, не были осуществлены.

Ряд дальнейших проблем возник в процессе обработки переданных на Землю данных, поскольку блоки спутниковой информации содержали много сбоев. Мы никогда не узнаем истинных причин низкого качества данных (как и много другого, что в действительности происходило на борту и в центре управления полётом). По одной из версий диаграмма направленности бортового передатчика (информационной радиолинии БИС-С c несущей частотой 8.2 ГГц) из-за кувырканий КА смотрела не на Землю, что ухудшало качество радиотрансляции. Но следует отметить, что приём и распаковка научной информации с Сич-1М проводились на разных приёмных центрах: на основном центре в Дунаевцах (Украина), и, в двух случаях, на вспомогательном приёмном центре в Отрадном (Россия). В Дунаевцах все данные были приняты (или всё же распакованы?) с искажениями. Файлы данных, принятые в Отрадном – практически идеального качества.

В ИКИ и ЛЦ ИКИ была проведена кропотливая работа по коррекции сбойных битов, после чего данные КНАВ систематизировались, пополнялись информацией о текущем времени, местонахождении и ориентации КА и т.д. Так как Сич-1М вращался вокруг своих осей, мгновенную ориентацию КА пришлось специально рассчитывать. На сегодняшний день в формате, пригодном для проведения научного анализа, создан каталог данных проекта "Вариант", который находится в ИКИ.

В качестве примера полученных результатов приведём спектро¬грамму измерений магнитного поля датчиком WZ1 на витке 1363 (рис. 2.5). Узкая горизонтальная линия на частоте 3 кГц – сигнал навигационного передатчика. Четыре почти вертикальные дуги на промежутке времени 1.5...7.5 с – молниевые свисты. Горизонтальная диффузионная полоса в районе частоты 4.5 кГц – нижнегибридный шум. Вертикальные полосы в самой нижней части спектра – плазмосферные шипения, приходящие в ионосферу сверху. Эти сигналы являются характерными для ионосферы, их успешная регистрация демонстрирует правильность работы КНАВ.

Рисунок 2.5. Динамические спектры, зарегистрированные на витке 1363 на Сич-1М

Литература

1. Dudkin, F., V. Korepanov, G. Lizunov. Experiment VARIANT - First Results from Wave Probe Instrument. Adv. Space Res., 2009, v. 43, pp. 1904-1909
2. Korepanov, V., F. Dudkin, G. Lizunov. New instrument for wave activity study. Proceedings of the 7th International Symposium of the International Academy of Astronautics (IAA), Berlin, May 4-8, 2009, p. 187-190
3. Korepanov V., F. Dudkin. Comparative analysis of current density meters operating in space plasma. Adv. Space Res., 1999, Vol. 23, No 8, pp. 1541-1544
4. Korepanov, V., O. Negoda, G. Lizunov, H. Alleyne, M. Balikhin, J. Blecky, F. Dudkin, A. Fedorov, J. Juchniewicz, S. Klimov, V. Krasnoselskikh, and F. Lefeuvre. Project variant: current and field measurements on board sich-1m satellite.  Adv. Space Res., 2000, No 25/7-8, p.1337-1342
5. Вайсберг, О.Л. К определению пространственной шкалы в движущейся плазме. Космические исследования. 1985. т. 12, вып. 6, с. 947-949
6. Корепанов, В. Є., В.М. Івченко, Г.В. Лізунов, О.П. Федоров, Ф.Л. Дудкін, А. М. Попель. "Варіант" – перший міжнародний науковий експеримент на борту українського супутника. Космічна наука і технологія, 2007, т. 13, № 4, с. 3-9
7. Крючков, Є.І., Г.В. Лізунов, П.О. Усенко, В.Й. Глемба. Систематизація та первинна обробка даних експерименту "Варіант" на супутнику "Січ-1М". Космічна наука і технологія, 2007, т. 13, № 4, с. 18-24
8. Корепанов В.Є., Є.І. Крючков, Г.В. Лізунов, А.К. Федоренко, Ф.Л. Дудкін. Експеримент "Варіант" на супутнику "Січ-1М" - перші результати. Космічна наука і технологія, 2007, т. 13, № 4, с. 10-17