«Чибис-М» — микроспутник космического эксперимента «Исследования физических процессов при атмосферных грозовых разрядах на базе микроспутника "Чибис-М" с использованием грузового корабля "Прогресс"» (сокращённо КЭ «Микроспутник»). Предназначен для детального изучения физических механизмов электрических разрядов в атмосфере в самом широком диапазоне энергий: от радио- до гамма-излучения.
Эксперимент «Микроспутник» входит в Долгосрочную программу научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на российском сегменте Международной космической станции (направление «Исследование Земли и космоса»).
Научные задачи
Задачи КЭ «Микроспутник»
- исследовать физические процессы при атмосферных грозовых разрядов, проводя комплексные измерение в ионосфере с борта микроспутника;
- исследовать в ионосфере электромагнитные параметры космической погоды;
- провести ресурсные испытания микроспутника «Чибис-М», его служебных систем и комплекса научной аппаратуры (КНА) «Гроза»;
- отработать командно-телеметрическое управление микроспутником на орбите средствами Наземного комплекса управления (НКУ) ИКИ РАН.
Задача комплекса научной аппаратуры (КНА) «Гроза» — исследования:
- ступенчатого лидера высотных молний;
- высотного распределения разрядов «облако – поверхность Земли и «облако – облако;
- узких биполярных радиоимпульсов (NBP);
- фона радиоизлучений в дипазоне 20–50 МГц;
- всплесков ультрафиолетового излучения;
- электромагнитных параметров космической погоды в диапазоне 10-2 – 2*104 Гц.
Миссия
«Чибис-М» — первый микроспутник планируемой серии малых аппаратов, которая создается Российской академией наук на базе универсальной микроспутниковой платформы «Чибис» (разработка Специального конструкторского бюро космического приборостроения ИКИ РАН).
В ходе эксперимента планировалось решить сразу несколько задач: отработать новую микроспутниковую платформу, новый способ её выведения с помощью ТГК «Прогресс», исследовать грозовую активность из космоса и, в частности, проверить, используя полученные данные, теорию пробоя на убегающих электронах (ПУЭ), которая может объяснить:
- 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 100 кэВ.
Это теоретическое предположение было высказано академиком А.В. Гуревичем (ФИАН).
Уникальная по ширине спектра исследуемых электромагнитных излучений целевая обсерватория, была создана в рамках Программы Президиума Российской академии наук в ИКИ РАН в кооперации с другими академическими и университетскими организациями, в том числе международными (Венгрия, Украина), в виде КНА «Гроза», включающего бортовую систему сбора информации и передатчик научной информации. Масса КНА «Гроза» 10,8 кг и электропотребление ~15 Вт позволили разместить его на микроспутниковой платформе общим весом 40 кг.
Научно-методическая проработка проекта «Чибис-М» проводилась по проекту РФФИ «Ионосферные исследования физических механизмов электрических разрядов в атмосфере» (№ 09-05-1358709-05-13587-офи_ц), руководитель проекта — Зеленый Лев Матвеевич, ИКИ РАН. Исследования механизмов высотных молний с использованием специализированной космической платформы нового поколения и создание бортовой специальной аппаратуры для изучения атмосферных разрядов были поддержаны РФФИ (проект № 06-02-08076-офи «Новые физические механизмы электрических разрядов в атмосфере»), руководитель проекта — академик РАН Гуревич Александр Викторович, ФИАН.
В 2015 г. работа «Создание, эксплуатация микроспутника «Чибис-М» в инфраструктуре Российского сегмента Международной космической станции и комплексный анализ физических данных о грозовых разрядах в атмосфере Земли» была выдвинута на премию Правительства Российской Федерации в области науки и техники 2015 г.
Комплекс научной аппаратуры (КНА) «Гроза» и наземный комплекс управления (НКУ)
- Рентген-гамма-детектор РГД
- Ультрафиолетовый детектор ДУФ спектра излучения от ультрафиолетового до инфракрасного
- Радиочастотный анализатор РЧА
- Цифровая камера ЦФК (пространственное разрешение 300 м, экспозиция 15 кадров/сек)
- МВК — магнитно-волновой комплекс
- Блок накопления данных БНД
- Передатчик
Инструменты были установлены на базе универсальной микроспутниковой платформы «Чибис» (разработка СКБ КП ИКИ РАН). Общая масса аппарата составила ~40 кг (в том числе 10.8 кг научной аппаратуры). ИКИ РАН проводил не только проектирование и изготовление микроспутника, но и полный цикл его электрических, командно-информационных, виброударных, термовакуумных испытаний.
КНА «Чибис-М» обладал очень высоким временным разрешением (порядка наносекунды), и объем получаемой им информации был чрезвычайно велик — за очень короткое время порядка 10 микросекунд необходимо было проанализировать и запомнить до 100 гигабайт данных. При таком объеме невозможно вести непрерывную запись наблюдений, поэтому перед разработчиками встала задача выбора события-«триггера», по которому данные наблюдений будут записываться в кольцевую память прибора, а затем передаваться в общую память КНА и на Землю. Таким триггером стал сигналы, регистрируемые радиочастотным анализатором РЧА.
В ИКИ РАН находился Центр управления полетом. Наземный комплекс управления включал пять наземных станций управления и приема научной информации:
- СКБ КП ИКИ РАН (Таруса)
- НИЛАКТ (Калуга и Красноярск)
- Университет Етвёша (Будапешт, Венгрия)
- Институт физики атмосферы Чешской академии наук (Панска Вес, Чешская Республика)
Запуск с борта Международной космической станции и работа
Микроспутник «Чибис-М» был доставлен на МКС на борту «Прогресса М13-М» в транспортно-пусковом контейнере (ТПК), также разработанном в СКБ КП ИКИ РАН. После отстыковки от МКС, «Прогресс М13-М», используя оставшееся топливо, поднялся выше орбиты станции. На высоте более 500 км «Чибис-М» вышел из ТПК и начал автономную работу 25 января 2012 г.
Благодаря этой схеме, впервые опробованной в эксперименте, удалось продлить срок существования микроспутника в несколько раз по сравнению с тем, каким он был бы на высоте полёта МКС.
«Чибис-М» находился на круговой орбите высотой около 513 км и наклонением 52 градуса.
Первоначально предполагалось, что аппарат будет работать на орбите в течение как минимум одного года — таким образом, «Чибис-М» превысил заявленный срок службы в 2,5 раза. Аппарат постоянно слегка снижал орбиту из-за трения об остатки атмосферы, и баллистические расчеты показывали, что в конце 2014 – начале 2015 года снижение станет критическим, из-за чего «Чибис-М», войдя в более плотные слои атмосферы, сгорит.
Точная дата постоянно корректировалась из-за достаточно активного поведения Солнца, разогревающего атмосферу Земли. По результатам последнего уточнения (вечер 15 октября) спутник вошел в плотные слои атмосферы Земли 15 октября примерно в 17 часов 57 мин UTС в окрестности южной части Южной Америки (высота примерно 80 км).
Научные результаты
За время работы со спутником было проведено 987 сеансов управления и 857 сеансов сброса научной информации. Общий объём полученных данных составил 24,8 Гбайта.
Главные результаты — зарегистрировано более 800 радиовсплесков, которые интерпретируются как молниевые разряды. Многие из них (около 300) сопровождаются ультрафиолетовым излучением. Кроме этого получены свидетельства в пользу того, что после грозового разряда генерируется и гамма-излучение, однако чтобы уверенно говорить о взаимосвязи, требуются более чувствительные гамма-детекторы.
Как показали измерения, характерные условия, возникающие в наэлектризованном грозовом облаке из-за их большой размерности, не воспроизводимы в лабораторных условиях. Данные аппаратуры «Чибиса-М» показали, что фрактальные свойства распределения зарядов в облаке, не учитываемые ранее при изучении атмосферного электричества, могут существенным образом скорректировать оценки скорости генерации окисей азота в грозовой области и вклад молний в атмосферную химию и климат.
Измерения электрической активности прибором РЧА показали, что на самом деле пространственная структура грозового фронта имеет многомасштабный характер, а, если быть более точным, распределение заряженных ячеек случайно и может быть описано в рамках фрактальной топологии. В каком-то смысле происходит самоорганизация электризованного слоя. Эти особенности следует учитывать в теоретических моделях.
Головные организации и руководители
- Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева (РКК «Энергия»)
- Институт космических исследований Российской Академии наук (ИКИ РАН)
- Научный руководитель: академик Лев Матвеевич Зеленый (ИКИ РАН)
- Научный руководитель: академик Александр Васильевиче Гуревич (ФИАН)
Коллаборация
- Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН)
- Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН)
- Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.Н. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (НИИЯФ МГУ)
- Львовский центр Института космических исследований Национальной академии наук и Национального космического агентства Украины (ЛЦ ИКИ НАНУ-НКАУ)
- Университет им. Етвёша (Eötvös Lorand University, Венгрия)
- Институт физики атмосферы Чешской Академии наук (The Institute of Atmospheric Physics, Czech Academy of Sciences)
Сайты
- Сайт проекта «Чибис-М»
- Эксперимент «Микроспутник» на сайте ПАО РКК «Энергия» им. С.П. Королёва
- Эксперимент «Микроспутник» на портале Координационного научно-технического совета по программам научно-прикладных исследований на пилотируемых космических комплексах
Галерея
