ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

Институт Космических исследований
Российской Академии Наук

ОБСТАНОВКА / OBSTANOVKA
Электромагнитная низкочастотная экология на орбите

«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.

Научные задачи

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.

Миссия

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
  1. Блок комбинированной волновой диагностики БКВД, устанавливаемый на внешней поверхности РС МКС с помощью механического интерфейса (МИ-К), разрабатываемого ПАО «РКК «Энергия».
  2. 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».
  3. 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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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).
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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.
  10. 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

Головные организации и руководители

  • 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)

Коллаборация

  • Научно-исследовательская лаборатория авиационно-космической техники ДОСААФ (НИЛАКТ, г. Калуга)
  • Федеральное государственное бюджетное учреждение науки 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)

Сайты

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: