Проект «Интербол»: зачем Россия запустила спутники в плазменный «хвост» Земли
В конце 1990-х российские ученые из Института космических исследований разработали уникальную программу, чтобы исследовать влияние Солнца на плазменный «хвост» Земли. Проект, к которому присоединилось большое количество стран, получил название «Интербол». Его первый этап начался ровно 30 лет назад. Член Общественного совета Госкорпорации «Роскосмос» Игорь Маринин вспоминает, как это было.
Чем опасно влияние Солнца на Землю
На рубеже веков ученые всего мира озаботились исследованием солнечно-земных связей. Дело в том, что излучение нашей звезды тесно связано со сложными и часто непредсказуемыми процессами в атмосфере Земли. Это, прежде всего, магнитные бури, которые часто приводят к нарушениям в распространении радиоволн, помехам в телефонных линиях и системах спутниковой навигации. Иногда магнитные бури даже блокируют работу радаров в диапазоне метровых волн из-за отражений от полярных сияний.
Но наибольшую опасность представляют резкие изменения магнитного поля Земли во время вспышек магнитной бури, воздействующих на линии электропередач. Глобальные отключения энергосистем целых городов или провинций уже не раз фиксировались. Например, 13 марта 1989 года отключилось все энергоснабжение целой провинции Квебек в Канаде.
Уже тогда Россия начала активно развивать полярный регион с перспективой широкого использования Северного морского пути и природных богатств шельфа Северного ледовитого океана. Поэтому требовалось кардинально улучшить методику и качество прогнозирования таких суббурь, а для этого нужно было глубоко понимать соответствующие плазменные процессы, которые генерируют магнитосферные токи и возникающие электромагнитные всплески.
Это означало, что для России, как и для других приполярных стран, изучение процессов солнечно-земной плазмы становится все большей необходимостью. Более подробно о том, что такое магнитосфера Земли и как узнать о приближении магнитной бури, можно узнать из нашей лекции.
Что такое «Интербол»
«Интербол» — это космическая программа, разработанная для изучения различных плазменных процессов в магнитосфере Земли в Институте космических исследований РАН под руководством академика Альберта Галеева и его заместителя Льва Зелёного, а также технических руководителей Льва Песоцкого и Евгения Васильева.
Проект предусматривал запуск двух пар спутников. Орбита первой пары «Интербол-1» (спутник «Прогноз-11» — субспутник «Магион-4») проходила через «хвост» магнитосферы с максимальным удалением от Земли до 200 000 км, а орбита второй пары «Интербол-2» («Прогноз-12» — «Магион-5») — над полярными сияниями с апогеем до 20 000 км. Реализация программы позволяла одновременно наблюдать плазменные процессы в различных областях земной магнитосферы и солнечном ветре.
К российскому «Интерболу» в рамках обширной научной кооперации присоединились ученые из Австрии, Болгарии, Канады, Финляндии, Франции, Германии, Венгрии, Италии, Киргизии, Польши, Румынии, Словакии, Швеции, Великобритании и Украины. Эти страны участвовали не только в разработке некоторых научных приборов, обработке и сопоставлении спутниковой информации с наземными наблюдениями, но и в финансировании. Особенно важным был вклад в проект Чешского космического агентства, которое создало два субспутника «Магион» для этого проекта.
Тесное сотрудничество с сообществом наземных геофизических наблюдателей позволяло своевременно получать информацию о текущих солнечных и геофизических условиях, которая необходима для того, чтобы рассматривать спутниковые данные в глобальной солнечно-земной перспективе.
«Интербол-1»: запуск в «хвост Земли»
Первый этап программы — «Интербол-1» — начался 3 августа 1995 года. В этот день, ровно 30 лет назад, с 43-й площадки космодрома Плесецк была запущена ракета-носитель «Молния М» с разгонным блоком «Л». На ее борту находилась первая пара — российский спутник «Прогноз-11» (вторая модификация) и чешский субспутник «Магион-4». Их отправили в «хвост» магнитосферы Земли на первоначальную орбиту с параметрами:
наклонение орбиты 62,8°;
минимальное удаление от поверхности Земли 776 км;
максимальное удаление от поверхности Земли 192 000 км;
начальный период обращения 91 час.
Через 9 часов 25 минут после старта субспутник отделился от основного аппарата и следовал за ним на расстоянии в несколько тысяч км.
Устройство российского спутника «Прогноз-11»
Базовая платформа для размещения научной аппаратуры программы «Интербол» была разработана в НПО им.С.А.Лавочкина на базе спутников серии «Прогноз». Конструктивно космический аппарат выполнен в виде герметичного контейнера цилиндрической формы диаметром 1,5 метра и высотой 1,2 метра, закрытого с обеих сторон сферическими днищами. Снаружи на крышке размещена рама, на которой крепились датчики научной аппаратуры, датчик солнечной ориентации и антенны радиокомплекса.
На цилиндрической части корпуса закреплены четыре панели солнечных батарей и рамы с научными приборами, тепловой демпфер, микродвигатели системы ориентации, баллоны с рабочим газом для этих двигателей. На концах панелей солнечных батарей установлены штанга магнитометра, антенны и другие выносные приборы. Внутри контейнера — приборы радиотехнического комплекса, электронные приборы системы солнечной ориентации, научная аппаратура, приборы системы терморегулирования и буферная батарея энергопитания. Все устройства закреплены в специальных рамах.
Тепловой режим спутника обеспечивался активной системой терморегулирования приборного отсека в сочетании с пассивными средствами терморегулирования. Тепловой режим блоков научной аппаратуры и служебной аппаратуры, установленных снаружи, обеспечивался пассивными средствами терморегулирования. Стабилизация спутника в пространстве осуществлялась путем вращения его относительно продольной оси, направленной на Солнце. В связи с этим одной из технических проблем было обеспечение заданных моментов инерции аппарата. Поэтому космический аппарат прошел балансировку на специальном стенде.
Основные характеристики «Прогноза-11»:
масса — 1370 кг;
радиокомплекс дециметрового диапазона, состоящий их двух бортовых передатчиков мощностью 10 вт;
пропускная способность радиолинии КА- Земля — до 250 Кбит/с;
пропускная способность телеметрической системы — 800 и 3200 бод;
ёмкость памяти 108 часов на два диска по 80 Мбайт;
антенно-фидерная система, состоящая из двух широко направленных антенн, антенного переключателя и блока электроники;
система ориентации на Солнце одноосная с точностью 1÷1,5º и скоростью поворота всего КА до 3º/сек;
двигатели ориентации и стабилизации газовые на азоте, размещенного в баках высокого давления;
система терморегулирования — газовая, замкнутого типа с частичной экранно-вакуумной теплоизоляцией;
температура внутри герметичного корпуса — от 0ºС до +40ºС;
система электропитания: солнечные батареи с площадью фотопреобразователей 7 кв.м и буферная аккумуляторная батарея ёмкостью 100 ампер-часов.
Что касается научной аппаратуры, то для измерения энергичных частиц и рентгеновского излучения были установлены пять приборов, для тепловой плазмы — семь приборов, магнитных и электрических полей и волн — восемь приборов. Масса всех 20 приборов — 270 килограммов.
Так как газовые двигатели «Прогноза-11» не позволяли корректировать высоту орбиты, «Прогноз-11» вошел в плотные слои атмосферы 16 октября 2000 года в работоспособном состоянии.
Устройство чешского спутника «Магион-4»
Спутник был создан в Геофизическом институте Чехословацкой Академии наук при содействии специалистов России и Австрии. Управление полетом производилось из чешской обсерватории Панска Вес.
«Магион-4» был оснащен газореактивной двигательной установкой, позволяющей менять ориентацию спутника в пространстве и совершать маневры на орбите. С помощью солнечного датчика аппарат ориентировался осью на Солнце и стабилизировался вращением.
На «Магионе-4» были установлены дополнительные, в сравнении с предыдущими версиями, раскрывающиеся панели солнечных батарей и увеличена мощность системы энергопитания, дополнен состав научной аппаратуры. Аппарат был рассчитан на работу на орбите в течение двух лет, но проработал три года.
На субспутнике были установлены девять научных приборов: волновой комплекс, анализатор спектра, анализатор формы сигнала, трехкомпонентный магнитометр, энергетический электронный и протонный спектрометр, плазменный электронный и протонный спектрометр, рентгеновский фотометр, детектор потока плазмы и двухкомпонентный ток Лэнгмюра.
Чешский субспутник «Магион-4» проработал существенно меньше — до августа 1998 года.
Научные результаты «хвостового» зонда «Интербол-1»
С помощью совместных наблюдений спутников «Прогноз-11», «Магион-4» и японского спутника Geotail в хвосте магнитосферы Земли впервые удалось:
одновременно наблюдать противоположно направленные плазменные струи, движущиеся в плазменном слое из области и получить информацию о его местонахождении в токовом слое хвоста;
измерить вертикальную компоненту скорости конвекции (перемешивания) магнитосферы и определить ее скорость, которая оказалась около 10 км/с в южном направлении межпланетного магнитного поля и уменьшается до нуля при северном;
экспериментально подтвердить резонанс ускорения ионов в дальних областях токового слоя хвоста;
наблюдать ускорение ионных пучков протонов, альфа-частиц и некоторых тяжелых ионов, как в хвосте магнитосферы Земли, так и на дневной стороне вблизи фронта головной ударной волны.
Вторая пара спутников «Авроральный зонд» («Интербол-2» и субспутник «Магион-5)» была запущена 29 августа 1996 года и проработала на орбите 2,5 года.
«Изюминкой» проекта «Интербол» стала возможность одновременных наблюдений плазменных процессов, происходящих в различных областях земной магнитосферы и в солнечном ветре, что позволило исследовать причинно-следственные связи в явлениях магнитосферно-ионосферного взаимодействия, а также во взаимодействиях солнечного ветра с магнитосферой.
Проект ИНТЕРБОЛ стал частью Международной исследовательской программы по солнечно-земной физике и занял достойное место в уникальном «созвездии» спутников, работающих в это время на орбите: Wind (NASA), Polar (NASA), SOHO (ESA), Geotail (JAXA) и многих других, запущенных в период 1992–2000 годов.
Солнечное излучение влияет и на ионосферу Земли — верхние слои атмосферы. Изучать происходящие в этой зоне процессы помогают сегодня спутники «Ионосфера-М»: группировка состоит из четырех спутников, два из которых 25 июля были выведены на орбиту. Сделали подробный разбор о том, как они устроены и для чего нужны.
