«Обстановка (1 и 2 этапы)» — космические эксперименты по исследованию в приповерхностной зоне Международной космической станции низкочастотных (<50 МГц) плазменно-волновых процессов взаимодействия сверхбольших космических аппаратов с ионосферой.
Целевые работы «Обстановка (1 этап)» и «Обстановка (2 этап)» входят в Долгосрочную программу научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на Российском сегменте Международной космической станции (направление «Исследование Земли и космоса»). «Обстановка (1 этап)» в 2013–2015 гг. реализована на Служебном модуле РС МКС.
Scientific Goals
КЭ «Обстановка (1 этап)»
Геофизические исследования на основе долгосрочных мониторинговых измерений параметров плазмы и плазменно-волновых процессов, связанных с проявлением в ионосфере солнечно-магнитосферно-ионосферных и ионосферно-атмосферных связей:
- геофизические исследования плазменно-волновых процессов, связанных с проявлением в ионосфере солнечно-магнитосферно-ионосферно-атмосферно-земных связей;
- экологический мониторинг низкочастотных электромагнитных излучений антропогенного характера и связанных с глобальными катастрофами;
- изучение плазменно-волновой обстановки в ближней приповерхностной зоне сверхбольшого космического аппарата, обусловленной параметрами окружающей космической плазмы и характером взаимодействия материалов, находящихся на поверхности КА, с этой средой;
- скоординированные наземные наблюдения по влиянию электромагнитных возмущений на техногенные структуры и живые организмы;
- организация и обеспечение экологического низкочастотного (< 15 МГц) электромагнитного мониторинга возмущений в окружающей среде на базе технических и аппаратурных средств, отработанных в предшествующих КЭ и осуществляющих плазменно-волновые измерения на КА по программам фундаментальных исследований солнечно-земных связей;
- создание базы экспериментальных данных по электромагнитному состоянию ионосферы Земли для выявления и предотвращения ее катастрофических изменений;
- развитие методик для обеспечения долгосрочного экологического электромагнитного мониторинга возмущений в космической среде, используя длительное существование МКС в наиболее активной области ионосферы – F2 слое.
Долговременный мониторинг параметров ионосферы и некоторых областей магнитосферы с борта орбитальных станций может оказать неоценимую помощь, во-первых, для потребителей текущей информации о состоянии ионосферы (радиосвязь и навигация), а также для исследователей солнечно-земных связей.
Целевая работа «Обстановка (2 этап)»
- исследования в приповерхностной зоне плазменно-волновых процессов взаимодействия сверхбольших космических аппаратов типа МКС с ионосферой (этап векторных измерений);
- отработка метода комбинированной волновой диагностики (КВД) флуктуаций потоков плотности ионосферной плазмы при измерениях на крупноразмерных долгоживущих КА.
- идентификация источников возмущения плазмы вблизи КА в приближении векторных измерений;
- геофизические исследования плазменно-волновых процессов, связанных с проявлением в ионосфере солнечно-земных связей (этап реализации векторных измерений);
- экологический мониторинг низкочастотных электромагнитных излучений в ионосфере (на этапе векторных измерений) антропогенного характера и связанных с глобальными катастрофами;
- изучение уровня возмущений окружающей плазмы и электромагнитных полей (на этапе векторных измерений) при инжекции плазменных пучков с борта ОС и механизмов распространения искусственных электромагнитных волн, как имитаторов техногенных возмущений параметров среды обитания человека;
- инализ возможностей определения эффективной массы МЭФФ тяжелых молекулярных ионов (NO+ и О2+) на основании векторных измерений ОНЧ-шумов и концентрации плазмы.
Mission Overview
Более чем десятилетний опыт работы орбитальной станции (ОС) «Мир» свидетельствует о том, что орбитальные станции, в том числе и Международная космическая станция (МКС), могут использоваться для систематического измерения (мониторинга) ряда физических параметров и изучения процессов, оказывающих (или в перспективе могущих оказать) существенное влияние на окружающую среду — среду обитания человека.
Орбиты ОС проходят по околоземной части космического пространства, которая называется ионосферой и находится между магнитосферой и атмосферой. Ей важные характеристики — наличие плазмы и земного магнитного поля. Благодаря относительно высокой, по отношению к другим областям околоземного космического пространства, концентрации плазмы, ионосфера является важным звеном в энергетическом процессе солнечно-магнитосферно-атмосферных связей.
Магнитосфера Земли — своеобразный экран, защищающий человека от проникновения высокоэнергичных (радиационных) частиц космического и солнечного происхождения. Ионосфера (как и атмосфера, но последняя в большей степени) защищает человека от ультрафиолетового излучения, губительного в больших дозах. Знание процессов, способных перестроить структуры магнито- и ионосферы, т. е. знание космической погоды, жизненно необходимо для человечества.
Ряд этих процессов определяется 11- и 22-летними циклами солнечной активности, что требует, соответственно, длительных непрерывных наблюдений — мониторинга. Активность Солнца и его излучений: солнечного ветра, корональных выбросов массы и др. — отражается в возмущениях магнитного поля Земли (геомагнитные бури и суббури) и ионосферы. Эти возмущения генерируют электрические поля, которые могут приводить к крупномасштабной конвекции плазмы в ионосфере и изменению её параметров. Высокая чувствительность плазмы к различного рода возмущениям способствует также генерации широкого спектра электромагнитных излучений в диапазоне частот от долей герц до десятков мегагерц.
В формирование космической погоды вносят вклад и другие возмущения, пришедшие в окружающее космическое пространство с поверхности Земли. Они могут иметь источником и природные процессы: землетрясения, извержения вулканов, тайфуны и т. д. — и деятельность челока: промышленные электромагнитные излучения и газы, техногенные катастрофы и т. д. Эффекты, связанные с излучениями линий электропередач, усиливаются с увеличением потребления электроэнергии в мире (2 000 ТВт в 1955 г., 12 000 ТВт в 1992 г.). С тех пор, как в 1930-х гг. был открыт нагрев ионосферы радиоизлучением (эффект Люксембурга), стало ясно, что антропогенные возмущения ионосферы нельзя игнорировать. Передатчики, используемые в радионавигации (в диапазонах 4…20 кГц и 20 кГц…2 МГц), также нагревают ионосферу и изменяют естественные параметры плазмы.
Новые данные об электромагнитных параметрах ионосферной плазмы необходимы для уточнения моделей ближнего космоса в той его области, где, в частности, проходят долгосрочные полёты с человеком на борту. Данные о космической погоде, т. е. о текущем и прогнозируемом состояниях ионосферы, необходимы также для групп, управляющих работой прикладных космических аппаратов (КА) на орбите. Например, имея прогноз сильных магнитосферных возмущений, можно будет заблаговременно перевести некоторые КА в щадящий режим функционирования бортовой аппаратуры. Как свидетельствует опыт, иногда такие возмущения достигали значений, которые приводят к выходу из строя отдельных приборов и систем.
Целевые работы «Обстановка» проводятся в обеспечение создания банка данных измерений низкочастотных электромагнитных полей около МКС при воздействии факторов околоземного космического пространства, включая воздействия искусственного происхождения. Результаты будут использованы в области прикладной геофизики, экологии, для прогноза космической погоды и корректировки эксплуатационных требований изделий ракетно-космической техники.
Космический эксперимент «Обстановка (1 этап)»
Космический эксперимент «Обстановка (1 этап)» проводился с помощью плазменно-волнового комплекса (ПВК) научной аппаратуры, разработанного на основе приборов, успешно использовавшихся ранее ИКИ РАН с участием международной кооперации при проведении фундаментальных исследований в космосе.
Основой волновых измерений в КЭ является комбинированная волновая диагностика (КВД), которая позволяет в широком диапазоне частот, включая и постоянные поля, исследовать мощность электромагнитных, электростатических и магнитных полей, а также спектр флуктуаций частиц плазмы. Комплекс физических параметров, измеренных ПВК в процессе реализации КЭ «Обстановка (1 этап)» (Рис. 1), позволил исследовать широкий круг физических явлений в приповерхностной зоне МКС, а также следующих явлений и процессов, экспериментально исследованных в недостаточной степени:
- крупномасштабной структуры ионосферы;
- пространственных флуктуаций ионосферных электромагнитных параметров космической погоды;
- террагенного воздействия на ионосферу;
- электромагнитной обстановки в приповерхностной зоне служебного модуля (СМ) РС МКС (Рис. 2).
Рис. 1. а) Размещение аппаратуры ПВК на внешней поверхности СМ РС МКС (Фото космонавта Г. Падалки); б) Космонавт П. Виноградов устанавливает ШКД1 (фото ЦУП-М).
Рис. 2. Работа ПВК 2013-07-05, начальное время: UT+3 18:00. Данные 6-часового мониторинга при работе ШАШ и LP: A — широкополосные излучения типа хоров (широкие стрелки); B — низкочастотные электростатические излучений; C — узкополосные техногенные излучения; D — узкополосные излучения наземных передатчиков навигационной системы Альфа
Атмосферные грозы являются одним из самых мощных источников в окружающей среде, обеспечивающим импульсные нарушения в связи земной атмосферы с ионосферой/магнитосферой над активными грозовыми ячейками со значительной энергией. Грозы — один из природных источников электромагнитных излучений в широком диапазоне частот, от ~0,1 Гц до сотен МГц, охватывающих УНЧ–КНЧ–ОНЧ–ВЧ–ОВЧ диапазоны. Наибольшая спектральная плотность атмосферного электрического разряда сконцентрирована в диапазоне ОНЧ (несколько кГц), хотя соответствующая спектральная плотность содержится в КНЧ диапазоне, глобального Шумановского резонанса с несущей частотой в 7,8 Гц и кратных гармоник, постоянно активируемым всемирными центрами гроз.
Особенностью геомагнитных КНЧ-вариаций, ниже несущей частоты Шумановского резонанса, является возникновение многополосной спектральной резонансной структуры (СРС), котору наблюдают наземные высокочувствительные индукционные магнитометры на низких, средних и высоких широтах. Самая низкая частота СГД составляет доли Гц. Появление СГД обычно объясняется наличием в верхней ионосфере Ионосферного резонатора Альфвена (ИАР)
Регистрация ИАР была осуществлена в КЭ «Обстановка (1 этап)», учитывая очень низкие частоты, с использованием данных феррозондового магнитометра ДФМ-2 с частотой оцифровки 1 Гц. Динамические спектрограммы (Рис. 3) построены с использованием ФВЧ Баттерворта второго порядка, с частотой среза 0.01 Гц.
Рис. 3. Динамическая спектрограмма ДФМ-2 в диапазоне 0.01-0.5 Гц 3-х ортогональных компонент Bx, By, Bz (слева – направо). 2013.09.03, начальное время 08:18:43
С грозовой активностью связаны регистрируемые ПВК электромагнитные излучения ОНЧ-диапазона (Рис. 4), называемые атмосфериками (также свистящими атмосфериками или вистлерами).
Регистрация свистящих атмосфериков свидетельствует как о возможности мониторинга ионосферных электромагнитных параметров космической погоды на МКС, так и о достаточно чистой электромагнитной обстановке в диапазоне от 0,01 до 23 кГц.
Рис. 4. Примеры регистрации ПВК 2013/07/14 свистящих атмосфериков в северном полушарии в утренние локальные времена. а) 21:36:06.539 UT (40N, 115E, LT=05h:17. б) 21:46:06.545 UT (51N, 167E, LT=08h:55
Космический эксперимент «Обстановка (2 этап)»
Экспериментальные исследования в ЦР «Обстановка (2 этап)» будут проводиться методом комбинированной волновой диагностики (КВД), который реализуется российской и венгерской научной аппаратурой (НА-О2).
Cостав НА-О2, сформированный на этапе научного обоснования целевой работы, позволяет производить:
- векторные измерения напряженности электрических и магнитных полей и их флуктуаций в диапазоне от 0,01 Гц до 80 кГц;
- радиочастотные измерения в диапазоне от 20 до 48 МГц;
- измерения концентрации плазмы в ионосфере и ее флуктуаций в диапазоне от 0,01 Гц до 100 кГц;
- измерения параметров надтепловой (< 10 кэВ) ионосферной плазмы;
- исследования изменений окружающей плазмы и электромагнитных полей от источников возмущения МКС, идентификацию источников возмущения плазмы вблизи МКС;
- диагностику качественного состава ионосферы в приповерхностной зоне МКС на основании измерений КНЧ/ОНЧ-шумов, состава и концентрации плазмы;
- оценку дальности распространения электромагнитных волн путем скоординированных наблюдений на геофизических обсерваториях и МКС.
НА-О2 доставляется на СМ РС МКС в транспортно-грузовом корабле «Прогресс-МС» с последующим размещением её блоков НА-О2 членами экипажа внутри и на внешней поверхности модулей станции.
Состав НА-02
- Блок комбинированной волновой диагностики БКВД, устанавливаемый на внешней поверхности РС МКС с помощью механического интерфейса (МИ-К), разрабатываемого ПАО «РКК «Энергия».
- Три идентичных автономных буя: АБ1, АБ2, АБ3, — включающие узлы командно-телеметрической связи с БКВД, устанавливаемые на внешней поверхности модулей с помощью механических интерфейсов (МИ-Б), разрабатываемых ПАО «РКК «Энергия».
- Блок хранения телеметрической информации (БХТИ), устанавливается внутри РС МКС и осуществляет получение научной информации от БКВД и буёв АБ1, АБ2 и АБ3 и командно-информационный обмен с ИУС РС МКС.
Командно-информационный обмен с ИУС осуществляется по интерфейсу Ethernet.
Хранение телеметрической информации осуществляется, как в устройстве буферной памяти БХТИ, так и в сменном накопителе информации (СНИ, не менее 100 Гбайт), возврат которого периодически предусмотрен на Землю.
Рис. 5. Состав и информационные потоки ЦР «Обстановка (2 этап)»
В настоящее время ГК «Роскосмос» ориентируется на новую Российскую национальную орбитальную служебную станцию РОСС, имеющую более высокое, чем МКС (~52 град), наклонение орбиты, что будет способствовать охвату всей территории России, включая полярные области.
Публикации
- Климов С.И., Ноздрачев М.Н., Триска П. и др. Исследование плазменных волн с помощью комплекса комбинированной волновой диагностики БУДВАР («Прогноз-10-Интеркосмос»). // Космические исследования. 1986. Т. 24. № 2. С. 177–184.
- Климов С.И. Геофизические исследования с использованием инфраструктуры Российского сегмента МКС / Рабочая группа по правовому обеспечению создания и научной деятельности Объединенного института космических исследований, 25 апреля 2013 г., ИКИ РАН.
- Klimov S.I., Grushin V.A., Novikov D.I., Zelenyi L.M., Belyakova L.D., Korepanov V.E., Ferencz Cs., J. Lichtenberger, L. Bodnar, S. Szalai, M.-P. Gough, B. Kirov, G. Stanev, K. Georgieva, H. Rothkaehl. International Experiments Onboard the Russian Segment of the International Space Station in the Frame of the Space Weather Program. “Obstanovka 1-st stage” (Interaction and Charge progect) / Fifth Workshop Solar Influences on the Magnetosphere, Ionosphere and Atmosphere. Nessebar, Bulgaria, 3–7 June 2013.
- Грушин В.А., С.И. Климов, Д.И. Новиков, В.Е. Корепанов, Д.Ф. Дудкин. Мониторинг электромагнитной обстановки в окрестности международной космической станции. Первые результаты / Девятая ежегодная конференция «Физика плазмы в солнечной системе», 10–14 февраля 2014 г., ИКИ РАН. Сборник тезисов, с. 75 (.pdf).
- Климов, С., Х. Роткель (S.I. Klimow, H. Rothkaehl). Исследования плазменно-волновых процессов в ионосфере и магнитосфере (ПВО) / Сборник «Научное сотрудничество между Российской академией наук и Польской академией наук в области фундаментальных космических исследований» / Współpraca naukowa między Rosyjską Akademią Nauk i Polską Akademią Nauk wdziedzinie podstawowych badań kosmicznych. Результаты совместных исследований (2011–2015). Wyniki wspólnych badań (2011–2015). ФГБУН Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН), 2016, стр. 159–180.
- Климов, С.И., В.Е. Корепанов, П. Сегеди, В.А. Грушин, Д.И. Новиков, К. Балаши, Л. Белякова, С. Беляев, Я. Бергман, Ч. Ференц, К. Георгиева, М.П. Гаф, Б. Киров, А. Марусенков, М. Моравски, Я. Надь, Р. Недков, Х. Ротхель, Г. Станев, Ш. Салаи. Мониторинг электромагнитных параметров космической погоды в ионосфере. Результаты эксперимента «Обстановка (1 этап)» на Российском сегменте МКС / The 2nd International Conference “International Space Station. Research, Investigations and Experiments”, 09–11.04.2015, IKI, Moscow, c. 204.
- Гаврилов Б.Г., Ю.И. Зецер, С.И. Климов, Ю.В. Поклад, И.А. Ряховский. Синхронная регистрация сигналов ОНЧ-диапазона наземными и спутниковыми средствами / Динамические процессы в геосферах. Выпуск 8: сборник научных трудов ИДГ РАН. М.: ГЕОС, 2016, с. 142–148 (.pdf).
- Грушин, В.А., С.И. Климов, Б. Киров, В.Е. Корепанов, Ш. Салаи, П. Сегеди, И.Э. Белова, Л.Д. Белякова, Т.В. Гречко, О.В. Лапшинова, Д.И. Новиков. Корреляционный анализ данных международного эксперимента «Обстановка (1-й этап)» на борту РС МКС / Двенадцатая ежегодная конференция «Физика плазмы в солнечной системе» 06–10 февраля 2017 г., ИКИ РАН, тезисы, с. 48 (.pdf).
- Климов, С.И., В.А. Грушин, Д.И. Новиков, Прямые измерения в ионосфере электромагнитных параметров космической погоды. А.Л. Чижевский. Вклад в науку и культуру / Материалы I Международной научной конференции, посвященной сохранению творческого наследия и развитию идей А.Л. Чижевского. Калуга: Изд-во АКФ «Политоп», 2017, с. 120–122.
- Климов С.И., В.А. Грушин, К. Балайти и др. Исследования в ионосфере электромагнитных параметров космической погоды в эксперименте «Обстановка (1 этап)» на Российском сегменте МКС. // Космическая техника и технологии № 1(32)/2021, стр. 20–41. DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2021-1-20-41
Leading Organizations and Principal Investigators
- Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева (РКК «Энергия»): заказчик
- Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН): головной исполнитель
- Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю. А. Гагарина (НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина)
- Акционерное общество «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения» (АО «ЦНИИмаш»)
- Научный руководитель целевой работы: д.ф.-м.н. Станислав Иванович Климов (ИКИ РАН)
In Collaboration With
- Научно-исследовательская лаборатория авиационно-космической техники ДОСААФ (НИЛАКТ, г. Калуга)
- Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН, г. Нижний Новгород)
- Университет им. Лоранда Этвёша (Eötvös Loránd University, ELTE, Будапешт, Венгрия)
- Центр энергетических исследований (Centre for Energy Research, CER, Будапешт, Венгрия)
- Бонн Хангери Електроникс (Bonn Hungary Electronics Ltd., BHE, Будапешт, Венгрия)
- БЛ-Электроникс (BL-Electronics Kft., BLE, Будапешт, Венгрия)
- ЭсДжиЭф Технолоджи (SGF Technology Associated Co. Ltd., SGF, Будапешт, Венгрия)
Websites
- Космический эксперимент «Обстановка 1-й этап» на РС МКС
- Эксперименты «Обстановка 1-й этап» и «Обстановка 2-й этап» на портале Координационного научно-технического совета по программам научно-прикладных исследований на пилотируемых космических комплексах
Обстановка 1-й этап
Статус: завершил работу
Запуск: 11.02.2013, 18:41 мск, космодром Байконур, РН «Союз-У», ТГК «Прогресс М-18М»
Завершение работы: 09.05.2015
Головное космическое агентство: ГК «Роскосмос»
Основной сайт: Космический эксперимент «Обстановка 1-й этап» на РС МКС
Обстановка 2-й этап
Статус: подготовка к запуску
Запуск:
Головное космическое агентство: ГК «Роскосмос»
Основной сайт: