Разбор полета: рекорды запуска спутников «Ионосфера-М» и «попутчиков»
Ракета-носитель «Союз-2.1б» с разгонным блоком «Фрегат», запущенная 5 ноября 2024 года с космодрома Восточный, вывела на околокруговую солнечно-синхронную орбиту (ССО) первую пару из четырех космических аппаратов серии «Ионосфера», предназначенных для мониторинга явлений космической погоды, таких как воздействие солнечного ветра на околоземное пространство. Кроме основной полезной нагрузки ракета несла кластер из 53 малых космических аппаратов российских и иностранных заказчиков. В этой миссии был установлен рекорд по одновременному выведению на орбиту российских спутников — 51 против 46, запущенных 27 июня 2023 года, и тоже с Восточного.
Прогноз космической погоды
Как следует из названия, спутники «Ионосфера-М» были созданы для исследования области космического пространства, которая называется ионосферой. Это верхний слой атмосферы, расположенный на высоте от 50 до 1000-2000 км от поверхности нашей планеты. В этом слое содержится большое количество заряженных частиц — свободных ионов и электронов. Они образуются под воздействием ультрафиолетового и рентгеновского облучения Солнцем, а также космического излучения.
Частицы ионосферы испытывают воздействие гравитационных и магнитных полей. Благодаря этому свойству, данная область пространства способна проводить электрический ток и отражать или искажать радиосигналы. Кроме того, токи, возникающие в магнитосфере Земли, также проходят через ионосферу. Это делает её ключевым элементом, влияющим на геомагнитную активность. Ионосфера играет важную роль в формировании магнитных бурь, появлении полярных сияний и других явлений.
С практической точки зрения, мониторинг ионосферы может помочь в прогнозировании событий, связанных с космической погодой, влияющих на работу всё большего числа космических и наземных систем.
Исследование ионосферы — задача не из лёгких. Для её изучения требуется использование спутников. Аппараты, предназначенные для исследования и мониторинга ионосферы, надо оснастить приборами, позволяющими измерять ключевые характеристики космической плазмы: концентрации частиц, их состава и температуры, а также параметров электромагнитных полей и волновых излучений, которые генерируются вблизи спутников или приходят из отдалённых областей пространства.
Для изучения солнечной активности и её влияния на магнитное поле Земли и верхние слои атмосферы, а также для проведения астрофизических исследований, в СССР была создана серия специализированных спутников «Прогноз». Данные, полученные с этих аппаратов, должны были помочь предсказывать возникновение опасных радиационных потоков, появляющихся в результате вспышек на Солнце и представляющих угрозу для пилотируемой космонавтики.
«Прогнозы» запускались с 1972 по 1996 год на высокоэллиптические орбиты (всего запущено 12 аппаратов).
Если мы проводим измерения исключительно вдоль орбиты спутника, то и получаемая информация относится только к этой области. О том, что происходит выше или ниже, можно лишь предполагать. Решить эту проблему может устройство, способное исследовать ионосферу на разных высотах и предоставлять результаты в виде графика, отражающего высоту. Такое устройство называют ионозондом.
Оно излучает короткие радиоимпульсы в широком диапазоне частот и регистрирует отражённые сигналы от ионосферы. Отражение происходит в точке, где частота свободных колебаний электронов (которая зависит от их концентрации на данной высоте) совпадает с частотой излучаемого радиоимпульса.
Измеряя время задержки между моментом излучения импульса и получением отражённого сигнала, можно определить высоту отражения. А по частоте отражённого импульса — концентрацию электронов на этой высоте. Кроме зондирования ионосферы, приборы на борту такого спутника способны выполнять и другие измерения.
Изучение ионосферы спутниковыми ионозондами проводилось в СССР с помощью специальных космических аппаратов, а также научного комплекса на модуле «Природа», который был запущен на станцию «Мир» в 1996 году. После этого работы фактически прекратились.
Возобновить важнейшую деятельность должен проект «Ионозонд», разработанный Институтом космических исследований Российской Академии Наук (ИКИ РАН) и реализуемый совместно с Научно-производственной корпорацией «Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы» имени А.Г. Иосифьяна (Корпорация «ВНИИЭМ»).
В рамках проекта предполагалось создать космические аппараты, помогающие проводить анализ и прогнозировать условия распространения радиоволн дальней связи и навигационных сигналов. Это особенно важно, например, для широко используемых одночастотных навигационных приёмников, которые в настоящее время из-за влияния ионосферы могут давать погрешность до нескольких десятков метров. Российская академия наук (РАН) планировала использовать эти данные для проведения наземно-космических экспериментов, направленных на изучение реакции ионосферы на ураганы, вулканическую активность и другие природные явления.
Основная полезная нагрузка
Спутники «Ионосфера-М» №1 и №2 станут частью космической системы «Ионозонд», создаваемой для РАН и Федерального метеорологического агентства «Росгидромет» и предназначенной для изучения гелиогеофизической обстановки, известной как космическая погода. Поскольку солнечная активность влияет на многие аспекты экономической деятельности, потребителями данных от системы могут стать и другие организации.
Проект «Ионозонд» направлен на решение задач мониторинга околоземного космического пространства и фундаментальных исследований космической плазмы и волновых процессов в ней. В рамках проекта планируется создать орбитальную группировку из четырёх спутников «Ионосфера-М» и одного спутника «Зонд-М». Цель проекта — постоянный контроль за околоземным космическим пространством и изучение процессов, происходящих в ионосфере.
В рамках Федеральной космической программы на 2016–2025 годы предполагается создать и запустить спутники «Ионосфера-М» в два этапа:
в 2024 году на ССО в плоскости 09:21 местного времени запускаются «Ионосфера-М» №1 и №2;
в 2025 году на ССО в плоскости 03:15 местного времени запускаются «Ионосфера-М» №3 и №4.
Разработка и запуск спутника «Зонд-М» будут осуществлены в рамках следующей Федеральной космической программы.
Генеральным заказчиком выступает Роскосмос. Тематические заказчики — Росгидромет и РАН. Разработчик космической системы — Корпорация «ВНИИЭМ», а комплекса целевой аппаратуры — Институт космических исследований (ИКИ) РАН.
Каждый космический аппарат серии «Ионосфера» имеет стартовую массу около 370-400 кг, массу целевой полезной нагрузки — 100 кг и расчетный срок активного существования 8 лет. Габариты спутника (в транспортном положении) — 1200 × 1200 × 800 мм. Ориентацию и стабилизацию обеспечивает трехосная электромаховичная система. Электропитание — от раскладываемой солнечной батареи мощностью не менее 700 Вт.
Комплекс приборов на спутниках «Ионосфера-М» предназначен для измерения параметров ионосферной плазмы, космической радиации и электромагнитных полей.
Приём результатов измерений будет проводиться государственной системой космического мониторинга в составе Европейского, Сибирского и Дальневосточного центров НИЦ космической гидрометеорологии «Планета» Росгидромета (с участием ИКИ РАН). Управление спутниками в полете будет осуществлять Центр управления полетами ЦНИИмаш. Научные исследования с использованием результатов измерений на спутниках «Ионосфера-М» будет координировать ИКИ РАН.
Размещение космических аппаратов в двух орбитальных плоскостях, по два спутника в каждой позволит постоянно отслеживать физические явления в ионосфере, вызванные природными и антропогенными факторами.
Задача проекта «Ионозонд» — сбор информации о пространственно-временных характеристиках ионосферы, а также мониторинг изменений электромагнитных полей и атмосферы Земли. В частности, планируется изучить распределение озона в верхних слоях атмосферы, контролировать уровень радиации и отслеживать другие значимые параметры среды.
Данные, получаемые с аппаратов «Ионосфера-М», будут сопоставляться с результатами наземных наблюдений. Это позволит проводить комплексные исследования и построить физическую трёхмерную модель ионосферы Земли.
Запуск аппаратов «Ионосфера-М» №1 и №2 стал значимым этапом в развитии отечественной науки и техники. Полученные данные помогут ученым глубже понять влияние космической среды на процессы, происходящие на Земле, а также на работу современных технологических систем.
Попутная полезная нагрузка
Вместе с основной полезной нагрузкой на орбиту выведены 53 вторичных аппаратов, включая 16 наноспутников (кубсатов), разработанных в рамках российской образовательной программы Space–π. 43 кубсата были размещены внутри стандартных пусковых контейнеров, предоставленных подрядчиком «Аэроспейс Кэпитал». В частности, 24 трехъюнитовых (формата 3U) кубсата SITRO-AIS компании «Ситроникс», оборудованных автоматической системой идентификации морских судов АИС, были интегрированы в шесть 12-юнитовых контейнеров, по четыре спутника в каждом. Оставшиеся аппараты устанавливались в пусковые контейнеры другого российского провайдера - «Орбитальные системы».
Ниже приведен список запущенных российских наноспутников, их формат и назначение:
«ХОРС» (2 штуки) — 6U-кубсат для изучения ионосферы;
«СамСат-Ионосфера» — 3U-кубсат для изучения ионосферы;
Vizard-ion — 3U-кубсат для изучения ионосферы;
RTU MIREA1 — 3U-кубсат для изучения ионосферы;
«МТУСИ-1» — 6U-кубсат для изучения космической погоды;
«Ночхо» — 3U-кубсат для магнитных измерений;
«Норби-3» — 6U-кубсат для космических исследований;
«Владивосток-1» — 8U-кубсат для изучения космической радиации;
«Альтаир» — 6U-кубсат для изучения космической радиации;
ЮЗГУ-60 — 3U-кубсат для испытания радиационной защиты;
Colibri-S — 3U-кубсат для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ);
HyperView-1G — 6U-кубсат для ДЗЗ;
«Политех Юниверс» (2 штуки) — 3U-кубсат для ДЗЗ;
TUSUR GO — 3U-кубсат для опытов по межспутниковой связи;
«Горизонт» — 3U-кубсат для опытов, студенческий;
ArcticSat-1 — 3U-кубсат для технологических экспериментов;
SIT-HSE — 3U-кубсат, для опытов по интернету вещей (IoT);
SIT-2086 — 3U-кубсат, школьный, для опытов IoT;
«Рузаевка-390» — 3U-кубсат для опытов IoT;
«Мордовия» — 3U-кубсат для радиочастотных измерений;
SITRO-AIS (24 шт) — 3U-кубсат для АИС;
CSTP-2.11 — 12U-кубсат для исследований;
CSTP-2.1 — 3U-кубсат для исследований;
CSTP-2.2 — 3U-кубсат для исследований.
Кроме того, на орбиту выведены наноспутники «Дружба АТУРК» - 12U-кубсат дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), созданный по совместной российско-китайской программе; ZimSat-2 - 3U-кубсат для ДЗЗ по программе Россия-Зимбабве; Hodhod - иранский 3U-кубсат для опытов IoT и Kosar - иранский 24U-кубсат для ДЗЗ.
Вскоре мы планируем рассказать об образовательной программе Space-π подробнее.
Подготовка и запуск
О начале подготовки к запуску миссии «Ионосфера-М» Роскосмос объявил в августе 2024 года. На космодроме Восточный специалисты Центра эксплуатации наземной космической инфраструктуры (ЦЭНКИ) и инженеры НПО Лавочкина приступили к работе с разгонным блоком «Фрегат». 4 сентября он был перемещён с места подготовки на заправочный комплекс, где на следующий день началась процедура заправки блока компонентами топлива и сжатыми газами.
27 сентября две основные полезные нагрузки были доставлены на технический комплекс и перемещены в зал подготовки космических аппаратов. К 11 октября предполетные испытания спутников успешно завершились. К 30 октября закончился монтаж блока полезной нагрузки, включавшего пару спутников «Ионосфера-М» и 53 попутных космических аппарата. 1 ноября блок успешно интегрировали с ракетой «Союзом-2.1б». В тот же день Госкомиссия одобрила транспортировку носителя на стартовый комплекс 1С, а 4 октября — заправку ракеты, стоящей на старте.
Запуск состоялся в запланированное время 5 ноября. Преодолевая земное притяжение, «Союз-2.1б» начал подниматься вертикально под действием тяги двигателей четырех боковых блоков первой ступени и центрального блока второй ступени. Ракета взяла курс на северо-запад и легла на траекторию выведения. Через 1 минуту 59 секунд после старта четыре боковых блока отработали и отделились, еще через 108 секунд были сброшены створки головного обтекателя, защищавшего полезную нагрузку на атмосферном участке полета.
За несколько мгновений до того, как вторая ступень завершила свою работу, включился двигатель третьей ступени, начав процесс «горячего разделения» блоков. Через 1,5 секунды хвостовой отсек третьей ступени распался на три панели, которые упали в тот же район, куда и блок второй ступени.
Третья ступень выводила «Фрегат» с «пассажирами» на промежуточную орбиту с апогеем в 196 км и перигеем, лежащим в плотных слоях атмосферы. Ее двигатель отключился, а через 3,5 секунды произошло отделение головного блока («Фрегата» с полезными нагрузками).
Третья ступень двигалась по такой траектории, что вошла в атмосферу, а ее несгоревшие обломки разрушились и упали в Атлантический океан. Для того, чтобы не рухнуть вслед за пустой ступенью, вскоре после отделения «Фрегат» первый раз включил свой двигатель и вышел на переходный эллипс, по которому пассивно летел примерно три четверти часа.
В апогее переходной орбиты двигатель разгонного блока включился во второй раз, переведя связку на орбиту, близкую к круговой на высоте примерно 830 км, где от адаптера отделились два спутника «Ионосфера-М».
Роскосмос сообщил об успешном выведении основных космических аппаратов на целевую орбиту: «Солнечные батареи аппаратов раскрылись, все системы работают в штатном режиме, космические аппараты приняты на управление».
Поскольку первоначальные включения двигателей «Фрегата» проходили вне зоны действия российских наземных станций, успешное завершение маневров можно было подтвердить только после траекторных измерений во время последующих пролётов над территорией России.
После успешного отделения основной полезной нагрузки «Фрегат» начал выполнение циклограммы выведения «попутных пассажиров». Все спутники отделились от разгонного блока. Заказчики подтвердили, что антенны на кубсатах раскрылись и приемопередатчики работают в нормальном режиме.
Графические иллюстрации предоставлены ИКИ РАН. Фото - Роскосмос-Медиа и ЦЭНКИ
