Разбор: для чего нужны спутники «Ионосфера-М» и как они устроены

В рамках проекта «Ионозонд» создается система космических аппаратов, предназначенных для мониторинга пространственно-временной структуры ионосферы, а также естественных и искусственных неоднородностей, ионосферно-магнитных возмущений, пространственного распределения электронной концентрации и электромагнитных полей. В ее состав входит пять спутников: четыре «Ионосферы-М» и один «Зонд-М». Космические аппараты будут размещены в двух орбитальных плоскостях, по два спутника в каждой. Таким образом получится непрерывно наблюдать за физическими явлениями в ионосфере.

Данные, собранные аппаратами, будут объединяться с наземными наблюдениями, создавая трехмерную модель ионосферы нашей планеты. Это поможет не только углубить научные знания, но и улучшить прогнозирование космической погоды, которая влияет на работу космических и наземных систем.

Первые два аппарата «Ионосфера-М» с порядковыми номерами 1 и 2 были запущены 5 ноября 2024 года с космодрома Восточный. В феврале 2025 года, после первых проверок на орбите, спутники начали передачу информацию о гелиогеофизической обстановке Земли — космической погоде. В мае они завершили летные испытания и были приняты в эксплуатацию.

«С первым и вторым космическим аппаратом наземный комплекс провел уже более 3000 сеансов управления и более 1,5 тысячи сбросов целевой информации. Это показало, в том числе, надежность наземных средств. Вся эта информация обработана и передана потребителю для анализа и построения в дальнейшем глобальной трехмерной модели нашей ионосферы», — рассказал заместитель генерального директора организации — разработчика аппаратов — корпорации «ВНИИЭМ» Максим Савицкий.

Следующие два зонда, обозначенные порядковыми номерами 3 и 4, стартовали 25 июля также с Восточного.

Все четыре аппарата имеют одинаковую конструкцию. Их стартовая масса — около 370-400 кг, в том числе полезная нагрузка занимает 100 кг. В сложенном положении габариты спутников — 1200 × 1200 × 800 мм. За электропитание отвечают солнечные панели мощностью не менее 700 Вт, а за ориентацию и стабилизацию — трехосная электромаховичная система. Ожидается, что спутники проработают на орбите как минимум 8 лет.

На борту спутников — комплекс приборов для прямого измерения параметров ионосферной плазмы, космической радиации и электромагнитных полей. Главный из них — ионозонд ЛАЭРТ, который в пассивном режиме работает как сканер, улавливая естественные радиоволны (100 кГц — 20 МГц), а в активном — выполняет роль ионосферного локатора в том же диапазоне частот.

Среди других приборов:

• приемник сигналов ПЭС, который определяет характеристики ионосферы по искажениям сигналов от навигационных спутников GPS и ГЛОНАСС;

• радиопередатчик МАЯК, который посылает сигналы на частотах 150 и 400 МГц наземным станциям (это поможет определить распределение плотности ионосферных электронов);

• приемник НВК с магнитным и электрическими датчиками, который анализирует электромагнитные волны в низкочастотном диапазоне (до 20 кГц) и таким образом измеряет естественные излучения космической плазмы и сигналы искусственного происхождения;

• спектрометр СПЭР/1 для мониторинга плазмы, приходящей в ионосферу «сверху» – то есть из магнитосферы;

• спектрометр ГАЛС/1 для измерения потоков галактических космических лучей и магнитосферной радиации;

• гамма-спектрометр СГ/1 для отслеживания гамма-излучения в диапазоне энергий 20 кэВ – 10 МэВ;

• блок оборудования БКУСНИ для управления работой бортового оборудования, сбора результатов измерений и трансляции потока телеметрии для передачи на Землю.

Кроме того, на спутниках «Ионосфера-М» № 3 и № 4, которые готовятся к старту, также установлены приборы «Озонометр-ТМ» для измерения параметров озонового слоя. Прибор определяет этот показатель, анализируя разницу при наблюдениях за атмосферой Земли и солнечным излучением.

Они должны создать глобальную карту ионосферы, равномерно распределяя измерения по всей Земле. Работая вместе, четыре спутника помогут определять важнейшие параметры космической плазмы и следить за изменениями в ионосфере во время солнечных вспышек и магнитных бурь. Кроме того, они смогут выявлять различные структуры в ионосфере — например, форму и расположение аврорального овала или места выпадения заряженных частиц в высоких широтах.

Пример ионограммы, переданной с аппарата «Ионосфера-М»

Данные вертикального зондирования с помощью аппаратов «Ионосфера-М» позволят делать краткосрочный прогноз землетрясений. Это поможет точнее предсказывать подземные толчки и улучшить меры по защите от их последствий.

По словам заместителя научного руководителя проекта «Ионосфера», руководителя лаборатории физики магнитосферных процессов Института космических исследований (ИКИ) РАН Михаила Могилевского, спутники помогут выполнить и ряд других задач. «В частности, это задача радиолокации — важный и нужный аспект, поскольку ионосфера в нем играет важную, практическую роль. Вместе с тем есть совершенно неожиданные задачи, связанные с локальным поведением плазмы вокруг космического аппарата — небольшой спутник летит и возмущает ионосферную плазму, за ним остается плазменный след, происходит обтекание. Эти явления тоже интересны сами по себе, потому что не всегда мы можем их смоделировать в лаборатории», — сказал он.

По словам Михаила Могилевского, от двух запускаемых аппаратов ученые ожидают сразу нескольких результатов. Во-первых, они позволят дополнить группировку спутников для оперативного мониторинга состояния ионосферы. «Для этого важны не только бортовые измерения космического аппарата, но и быстрый прием и передача этой информации», — подчеркнул он.

Полная система позволит проводить комплексные эксперименты. «На земле есть специальные нагревные стенды — коротковолновые передатчики, антенны которых смотрит вверх. Выбирается частота таким образом, чтобы она как бы "застревала" в ионосфере. Это приводит к локальному нагреву. Вот такие комплексные эксперименты Спутник — Земля очень важны и интересны», — сказал Могилевский.

Во-вторых, специалисты надеются продемонстрировать работу озонометров, которых не было на борту первых двух спутников. «Мы надеемся, что с помощью этих приборов нам удастся построить картину распределения озона вокруг нашей земли», — подчеркнул руководитель лаборатории физики магнитосферных процессов ИКИ РАН.

Новые аппараты позволят понять, какие изменения происходят в ионосфере, например, при извержении вулкана. «Мы знаем, что эти изменения происходят — у нас есть определенные измерения. Но имея этот комплекс наземных и спутниковых данным, мы сможем продвинуться вперед. Есть еще целый ряд других задач, которые связаны с такими же изменениями в ионосфере, например, во время тайфунов», — рассказал заместитель научного руководителя проекта.

Космический аппарат «Зонд-М» предназначен для мониторинга солнечной активности. Он будет выведен на околокруговую околотерминаторную солнечно-синхронную орбиту и, как ожидается, проработает 8 лет. Основные его задачи — картирование Солнца, измерение параметров рентгеновского и ультрафиолетового излучения, а также ионного состава верхней атмосферы и магнитного поля.

Космический аппарат «Зонд-М»

Сам аппарат будет весить 450 кг, а его полезная нагрузка — 105 кг. По габаритам он будет крупнее, чем спутники «Ионосфера-М». Его геометрические размеры в транспортном положении составят 1540 × 1326 × 1153 мм. Он будет снабжен трехосновной системой ориентации, а для питания будет использовать солнечные батареи мощностью не менее 700 Вт.

Один из главных его приборов — телескоп-коронограф (СТЕК), предназначенный для мониторинга солнечной короны. Он позволит отслеживать динамику развития корональных выбросов массы. Другой важный прибор — солнечный изображающий спектральный телескоп (СОЛИСТ), поможет измерить потоки излучения и создаст высокоточные изображения переходного слоя и короны светила.

Солнечное излучение будут фиксировать такие бортовые приборы, как рентгеновский спектрофотометр (РЕСПЕКТ), рентгеновский фотометр (СРФ), спектрофотометр потока ультрафиолетового излучения Солнца (СУФ), спектрозональная система с камерой (ЛЕТИЦИЯ), сканирующий Озонометр-З. магнитометр (ФМ-Г), гамма-спектрометр (СГ/2). Измерением магнитного поля займется магнитометр (ФМ-Г) и низкочастотный волновой комплекс (НВК2).

На борту также расположится радиочастотный масс-спектрометр (РИМС-А) для автоматического анализа нейтрального и ионного состава верхних слоев атмосферы Земли и собственной атмосферы аппаратов. Собирать данные и управлять ими позволит бортовой комплекс БКУСНИ–З.

Генеральный заказчик проекта — Роскосмос, а тематический — Росгидромет и Российская академия наук (РАН). За разработку космической системы отвечала корпорация «ВНИИЭМ», а за создание комплекса целевой аппаратуры — ИКИ РАН. Организация также будет курировать научные исследования на основе собранной спутниками информации.

Данные с аппаратов «Ионосфера-М» и «Зонд-М» будут поступать в государственную систему космического мониторинга, которая входит в состав Европейского, Сибирского и Дальневосточного центров Научно-исследовательского центра космической гидрометеорологии «Планета».

Первичную обработку информации и планирование программы измерений возьмет на себя наземный комплекс под руководством НИЦ «Планета» Росгидромета при участии ИКИ РАН. Управлять спутниками на орбите будут сотрудники Центра управления полетами ЦНИИмаш. Обработкой и интерпретацией данных для практического применения займется Центр валидации Института прикладной геодезии (ИПГ).

Особенность проекта – в автоматизированной передаче данных со спутников на Землю. По словам старшего программиста, технического руководителя наземного комплекса ИКИ Александра Бакумова, сеансы связи будут длиться около 10-12 минут, в среднем их будет 11-12 в день. «Объем данных передается достаточно большой и сбрасывается как можно чаще, поскольку очень важна оперативность информации», — сказал он.

Ионосфера — это верхний слой земной атмосферы, который находится примерно на высоте от 50 до 2 000 км над поверхностью. Она состоит как из нейтральных частиц, так и из заряженных ионов и электронов, которые образуются под действием солнечного излучения. Именно благодаря этой особенности ионосфера обладает высокой электропроводностью и может отражать или искажать радиосигналы.

Именно ионосфера позволяет использовать радиосвязь связь на средних и коротких волнах: исходящий сигнал отражается от ионосферы и принимается на очень дальних расстояниях. Однако она также влияет на распространение радиоволн от навигационных спутников, мешая их прохождению и вычислению координат приемника. Изучение ионосферы может свести к минимуму вызванные ею ошибки. В том числе важную роль знание ее особенностей играет в авиации, где точность данных имеет критическое значение.

Ионосфера также служит своеобразным «мостом» для электрических токов, возникающих в магнитосфере Земли. Поэтому она считается важным элементом, влияющим на геомагнитную активность — от возникновения магнитных бурь до появления полярных сияний.

Для исследования ионосферы используется отдельный прибор — ионозонд, который служит для определения высоты отражения радиоволн различных частот, измерения критических частот ионосферы и высотного распределения концентрации электронов.

Ионозонд — это своего рода специализированный радиолокатор, который посылает короткие радиоимпульсы в широком диапазоне частот, а затем улавливает сигналы, которые «отскочили» от ионосферы. Отражение происходит на той высоте, где частота свободных колебаний электронов (в зависимости от их концентрации) совпадает с частотой сигнала от зонда. По длительности задержки между отправкой и возвращением сигнала можно определить высоту отражающего слоя, а по частоте отклика ­— рассчитать концентрацию электронов в этой точке.

Да, с помощью наземного ионозонда. Его создали американские ученые в 1925 году и в 1930-х годах провели с помощью него первые эксперименты. Сегодня существует целая сеть из таких наземных приборов по всему миру. Полученные ими данные обрабатывают геофизические службы. Российская государственная наблюдательная сеть Росгидромета располагает сетью из 16 ионозондов. Своя система есть и у РАН.

Космический аппарат "Космос-1809" (АУОС-3-И-Э)

Однако у наземных приборов есть принципиальное ограничение — из-за отражательных свойств самой ионосферы они позволяют изучать только нижние ее слои, примерно до высоты 250-400 км. Все, что находится выше, остается недоступным. Эти области можно исследовать только «снаружи», из космоса. 

Первый космический ионозонд разместили на борту канадско-американского спутника Alouette-1 («Жаворонок-1»), который отправился в полет в 1962 году. СССР подключился к исследованиям в 1970 году, запустив аппарат «Космос-381» с аналогичной аппаратурой. Особого успеха в изучении ионосферы также достиг отечественный спутник «Интеркосмос-19», отправленный на орбиту в 1979 году. Он представлял собой первую комплексную орбитальную лабораторию, оснащенную ионозондом.

Проводил исследования в этой области и «Космос-1809», созданный специально для гидрометеорологической службы СССР и запущенный в 1987 году. Он должен был стать первым в серии спутников для глобального мониторинга ионосферы, но основной прибор на его борту проработал недолго. Тем не менее другая аппаратура продолжала собирать ценные данные о локальных параметрах ионосферной плазмы еще шесть лет.

Параллельно в СССР проводились исследования с помощью серии из 12 спутников «Прогноз», которые выводились на высокоэллиптические орбиты с 1972 по 1996 год. Их данные помогали предсказывать возникновение опасных радиационных потоков из-за вспышек на Солнце, представляющих угрозу для пилотируемых космических полетов.

Дополнительные исследования в этом направлении также проводились на орбитальной станции «Мир» вплоть до 1990-х годов и с тех пор фактически прекратились. Проект «Ионозонд» возобновляет эту работу и позволяет российским специалистам вернуться к систематическому изучению ионосферы из космоса.

Кроме спутников «Ионосфера-М» наблюдать за Землей будут и кубсаты российской частной компании «Геоскан». Какие задачи они решают и когда отправятся к Луне и Марсу — поговорили с Александром Хохловым, главой отдела проектов малых космических аппаратов компании.