«Интербо́л» ( англ. Interball ) — международный научный проект изучения взаимодействия магнитосферы Земли с солнечным ветром , осуществлявшийся в 1995—2000 годах . В рамках проекта двумя запусками были выведены четыре космических аппарата : российский «Интербол-1» и чешский « Магион-4 » исследовали внешние области магнитосферы, а «Интербол-2» и « Магион-5 » — приполярные области внутренней магнитосферы и ионосферы . Полученные в ходе проекта результаты во многом изменили представления о механизме солнечно-земных связей и продолжают использоваться мировым научным сообществом .

Головной организацией проекта «Интербо́л» был Институт космических исследований РАН , основными участниками — научные и учебные учреждения Австрии , Болгарии , Великобритании , Венгрии , Германии , Италии , Канады , Киргизии , Кубы , Польши , Румынии , Словакии , Украины , Финляндии , Франции , Чехии , Швеции . Исследования по проекту проводились в тесной координации с проектами NASA , Европейского космического агентства , Японского агентства аэрокосмических исследований .

Предпосылки проекта

Идея спутникового проекта, позволяющего как исследовать глобальную динамику магнитосферы, так и детально изучать её отдельные явления и структуры, появилась в конце 1970-х годов при подготовке запущенного в 1985 году по программе « Интеркосмос » советско-чехословацкого эксперимента « Интершок », в котором проводились исследования тонкой структуры околоземной ударной волны и магнитопаузы . В новом проекте планировалось проведение одновременных взаимоувязанных исследований в разных областях магнитосферы и применение многоточечных спутниковых измерений, позволяющих различать временны́е и пространственные вариации изучаемых явлений . Реализовать эти идеи в международном проекте «Интербол» удалось лишь через десять лет, в первую очередь по финансовым причинам .

Проект «Интербол», осуществлявшийся кооперацией научных организаций из разных стран под общим руководством Института космических исследований РАН , не только выполнял свою программу, но и стал важной частью более широкой программы изучения солнечно-земных связей , проводимой в 1990-х — 2000-х годах под координацией международной группы ( Inter-Agency Consultative Group for Space Science ) и включавшей как наземные измерения на сети станций, расположенных по всему земному шару, так и спутниковые наблюдения на следующих космических аппаратах :

• Японо-американский « (англ.) ( », запущенный в хвостовую часть магнитосферы 24 июля 1992 года;
• Российско-украинский « КОРОНАС-И », исследовавший процессы на Солнце и запущенный 2 марта 1994 года;
• Американский « Wind », проводящий исследования во фронтальной части магнитосферы и запущенный 1 ноября 1994 года;
• Российский «Интербол-1» (« Прогноз-11 ») и чешский « Магион-4 », изучавшие хвостовую часть магнитосферы и запущенные 3 августа 1995 года;
• Европейско-американская солнечная обсерватория « SOHO », запущенная 2 декабря 1995 года;
• Американский « (англ.) ( », запущенный на полярную орбиту 24 февраля 1996 года;
• Российский «Интербол-2» (« Прогноз-12 ») и чешский « Магион-5 », изучавшие авроральные области и запущенные 29 августа 1996 года;
• Европейская система из четырёх аппаратов « (англ.) ( », запущенная в область полярного двумя пусками 16 июля и 9 августа 2000 года;
• Российско-украинский « КОРОНАС-Ф », запущенный 31 июля 2001 года и продолживший программу «Коронас-И».

Цели проекта

Целью проекта «Интербол» было установление и исследование причинно-следственных связей между солнечным ветром , активными процессами в хвосте магнитосферы и явлениями в её полярных ( авроральных ) областях . От этих связей зависят плазменные процессы в околоземном пространстве, порождающие магнитные бури , пучки ускоренных частиц в ионосфере и магнитосфере, авроральные явления , радиоволновые выбросы. Мощные возмущения в магнитосфере и ионосфере вызывают помехи радиосвязи , влияют на (англ.) ( , наводят паразитные токи на протяженных трубопроводах и линиях электропередачи , особенно в высоких широтах, и могут нарушать их работу . Предполагается влияние магнитосферных процессов на климатические явления и биологические объекты .

В ходе исследований, проводимых космическими аппаратами проекта «Интербол» изучались следующие процессы :

• изменение конфигурации магнитного поля в хвосте магнитосферы при накоплении в нём магнитной энергии;
• генерация продольных токов, поддерживающих связь ионосферных токовых систем с магнитосферой;
• ускорение частиц в хвосте магнитосферы и в полярных областях;
• генерация (англ.) ( ;
• высвобождение и диссипация энергии, накопленной в магнитосферном хвосте;
• резкие изменения картины полярных сияний и свечения ночного неба.

Описание проекта

Для проведения исследований в рамках проекта были запущены два зонда, каждый из которых включал пару из основного спутника и субспутника, разделявшихся после выведения и следовавших по одной орбите на контролируемом расстоянии :

• хвостовой зонд в составе «Интербол-1» (« Прогноз-11 ») и субспутника « Магион-4 » — на эллиптическую орбиту с апогеем 200 000 км и начальным наклонением 63,8° ;
• авроральный зонд в составе «Интербол-2» (« Прогноз-12 ») и субспутника « Магион-5 » — на эллиптическую орбиту с апогеем 20 000 км и начальным наклонением 62,8° .

Основные спутники «Интербол-1» и «Интербол-2» были построены в НПО им. Лавочкина на базе аппаратов серии « Прогноз » и несли научную аппаратуру, произведённую в различных странах-участниках эксперимента. Аппаратура этих спутников выполняла главные измерения в соответствии с исследовательской программой . Специально для осуществления проекта «Интербол» была создана новая модификация аппаратов серии «Прогноз», получившая заводское обозначение «СО-М2» («Прогноз-М2»). С помощью специального конструктивного агрегата количество приборов, устанавливаемых на борту спутника, было увеличено вдвое. Была обновлена система энергопитания , в состав которой вошли радиационно-стойкие солнечные батареи с увеличенным сроком службы, более ёмкие аккумуляторы и новый комплекс автоматики. Это увеличило ожидаемый срок активного существования спутника с шести-десяти месяцев до двух-пяти лет . Для увеличения срока работы аппаратов впервые в отечественной практике были приняты меры для выравнивания электрических потенциалов на их поверхности. Электрические заряды , приобретаемые разными частями спутника при прохождении через радиационные пояса , могут приводить не только к ускоренной деградации солнечных батарей, но и к возникновению разрядов , выводящих из строя аппаратуру. На спутниках «Интербол» была применена сплошная металлизация их поверхности и панелей солнечных батарей, а также покрытие открытых частей электропроводящей краской . Эти меры способствовали и уменьшению воздействия, оказываемого спутником на распределение электрических потенциалов в окружающем пространстве, что повысило точность проводимых экспериментов .

Значительно доработана была система сбора, обработки и передачи информации с научных приборов. Задачи проекта требовали измерения слабых магнитных полей, в то время как спутники семейства «Прогноз» не были «магнитно-чистыми», потребовалась надёжная система фильтрации полезных сигналов установленных на спутниках магнитометров от помех, создаваемых самими аппаратами . В дополнение к магистральному радиокомплексу (МРК) «Прогнозов», работавшему в аналоговом режиме, на аппаратах проекта «Интербол» была установлена цифровая система сбора научной информации (ССНИ), разработанная в ИКИ РАН и позволявшая как передавать данные в реальном времени, так и записывать их на магнитные диски для последующего воспроизведения во время сеансов связи .

Субспутники «Магион-4» и «Магион-5», созданные в (чешск.) ( Чешской Академии наук , несли меньший набор аппаратуры аналогичного назначения и проводили измерения с меньшим разрешением и в меньшем объёме. Субспутники передавали данные в аналоговом и цифровом виде и имели возможность записи информации в полупроводниковое запоминающее устройство . Использование на каждой орбите двух аппаратов, следующих на расстоянии друг от друга и проводящих измерения с различным разрешением, позволило определять пространственные и временные вариации изучаемых явлений .

Хвостовой зонд

В соответствии с задачами проекта хвостовой зонд в составе спутников «Интербол-1» и «Магион-4» должен был пересекать область нейтрального слоя в хвосте магнитосферы на расстоянии 70 000—100 000 км от Земли, а также проводить измерения в области солнечного ветра и магнитопаузы на флангах магнитосферы и в дневной части. Дата запуска «Интербола-1» и ориентация его орбиты были выбраны таким образом, чтобы пересечение плазменного слоя происходило на каждом витке с середины сентября по середину марта ежегодно. Период обращения аппаратов хвостового зонда был выбран некратным целым суткам, что обеспечило их прохождение над всеми долго́тами Земли и равномерное покрытие наблюдениями околоземного пространства . Основной объём экспериментов, проводимых на хвостовом зонде, был посвящён изучению параметров магнитосферной плазмы. На первом этапе проекта, до запуска аврорального зонда, производились совместные эксперименты с космическими аппаратами « (англ.) ( » и « Wind ». Был проведён анализ развития суббури в нескольких областях магнитосферы одновременно и получены новые данные о механизме возникновения суббурь. В хвосте магнитосферы, на расстоянии около 10 земных радиусов, был зафиксирован поток частиц, не отраженный на существующих схемах радиационных поясов. Обнаруживалось изменение свойств околоземной среды при инжекции электронных и плазменных пучков с орбитальной станции «Мир» , осуществляемой в моменты, когда «Интербол-1» находился на одной силовой линии магнитного поля со станцией, на расстоянии 25 000 — 30 000 км от неё .

Интербол-1

На борту аппарата «Интербол-1» («Прогноз-11») были установлены шесть инструментов для исследования процессов в околоземной плазме, шесть инструментов для исследования магнитных и электрических полей и три инструмента для изучения космических и рентгеновских лучей. Кроме того, на нём была установлена аппаратура для определения взаимного расположения с субспутником «Магион-4» и традиционный для спутников серии « Прогноз » набор инструментов для измерения радиационной обстановки в околоземном пространстве . При установленном сроке работы в два года «Интербол-1» функционировал и передавал научные данные более пяти лет, вплоть до схода с орбиты в октябре 2000 года .

Магион-4

Научная аппаратура субспутника «Магион-4» включала четыре прибора для изучения электрических и магнитных волн и полей, три прибора для исследования плазменных процессов, детектор высокоэнергичных частиц и рентгеновский фотометр . Субспутник «Магион-4» проработал около двух лет до отказа аккумуляторов . После этого некоторое время аппарат работал с питанием только от солнечных батарей , но из-за замыкания в аккумуляторной батарее напряжение на его борту упало ниже допустимого минимума. Последний полноценный сеанс связи с «Магион-4» был проведён в сентябре 1997 года, с февраля 1998 года работа с ним была полностью прекращена. За это время на «Магионе-4» был проведён большой объём совместных экспериментов с «Интерболом-1» .

Авроральный зонд

Орбита спутников аврорального зонда обеспечивала их длительное нахождение на высоте 12 000—19 000 км в области полярного — воронки, образованной силовыми линиями магнитного поля Земли над Северным магнитным полюсом , куда могут свободно проникать частицы солнечного ветра . С помощью приборов аврорального зонда отслеживалась связь местных явлений в авроральной области с процессами в хвосте, где находится «спусковой механизм» магнитных бурь и других масштабных процессов в магнитосфере . Дата и время запуска аврорального зонда были выбраны так, чтобы его аппараты достаточно часто оказывались в магнитосопряженных точках (на одной силовой линии магнитного поля Земли) с хвостовым зондом. Период обращения, как и для хвостового зонда, был выбран таким, чтобы обеспечить прохождение над всеми долго́тами Земли . Основное внимание уделялось изучению электрических и магнитных волн и полей. Отдельными задачами аврорального зонда были оптические наблюдения за авроральными явлениями в различных диапазонах и изучение (англ.) ( , возникающего в приполярной зоне на высоте одного-трёх радиусов Земли. Проводились совместные эксперименты с норвежским нагревным стендом (англ.) ( , исследовалось влияние мощного КВ -излучения стенда на процессы в магнитосферной плазме .

Интербол-2

На «Интербол-2» («Прогноз-12») были установлены три инструмента для изучения авроральной плазмы, три для высокотемпературной (тепловой) плазмы, четыре прибора для регистрации и изучения ОНЧ -волн, трёхкомпонентный магнитометр , прибор для обнаружения и изучения потоков высокоэнергетичных электронов , средства наблюдения за полярными сияниями в ультрафиолетовом диапазоне и измерения их спектра в эмиссионных линиях кислорода. Также во время полёта аппарата проводились дозиметрические измерения и эксперименты по сравнению разных типов солнечных батарей.

«Интербол-2» работал в сложнейших радиационных условиях, проводя половину времени в наиболее тяжелых областях радиационных поясов Земли, поэтому на нём были приняты дополнительные меры к обеспечению надёжности аппаратуры. В состав аппаратуры спутника был включен генератор ионных пучков, позволяющий управлять его электрическим потенциалом . В дополнение к магистральному радиокомплексу и цифровой системе сбора научной информации была установлена аналого-цифровая система технического обеспечения СТО-ПА, передающая широкополосную информацию с части приборов в режиме реального времени .

В первые же дни полёта «Интербола-2» была обнаружена неустойчивость его положения, вызванная как возмущениями, возникающими на низкой относительно других « Прогнозов » орбите, так и ошибками расчёта динамики аппарата. Оперативно была предложена и реализована схема с гашением возмущений импульсами двигателей ориентации, но это привело к ускоренному расходу запасов рабочего тела. Через полтора года полёта «Интербола-2» произошла разгерметизация аппарата с нарушением экранно-вакуумной изоляции и температура на борту стала расти. В целом аппарат сохранил работоспособность, но часть научных приборов и систему СТО-ПА пришлось отключить. К концу 1998 года закончился запас сжатого газа, используемого в двигателях ориентации и стало невозможным удержание оси аппарата на Солнце для обеспечения оптимальной освещенности солнечных батарей . В таком состоянии «Интербол-2» продолжал работать и ограниченно передавать научные данные до конца 1999 года .

Магион-5

Состав комплекса научной аппаратуры «Магион-5», аналогичного по конструкции субспутнику «Магион-4», включал три прибора для изучения ОНЧ-волн и полей, два трёхкомпонентных магнитометра с различными пределами измерений, детектор потоков плазмы и измеритель параметров холодной плазмы, два инструмента для измерения энергетических спектров заряженных частиц, двухканальную видеокамеру (видимый и ИК диапазоны) для регистрации полярных сияний .

Связь с субспутником «Магион-5» оказалась потеряна сразу после запуска из-за неисправности в его системе энергоснабжения . Через 20 месяцев, в мае 1998 года, работу «Магион-5» удалось возобновить . До этого времени в составе аврорального зонда работал только «Интербол-2». После прекращения работы «Интербола-2» в январе 2000 года субспутник «Магион-5» продолжал функционировать на орбите аврорального зонда и передавал данные в полном объёме до середины 2001 года, после чего из-за окончания запасов газа для двигательной установки стало невозможно поддерживать его ориентацию на Солнце и оптимальную освещённость солнечных батарей. Окончательно работа с «Магион-5» была прекращена в начале 2002 года .

Информационное обеспечение проекта

Возможности установленных на борту «Интерболов» научных приборов и объём предоставляемых ими данных существенно превысили возможности хранения и передачи информации, обеспечиваемые бортовыми системами спутников. В ходе реализации проекта «Интербол» в ИКИ РАН была создана принципиально новая, перепрограммируемая в ходе полёта система сбора научной информации (ССНИ), сохраняющая информацию на жёстких дисках общим объемом 160 Мбайт . Скорость воспроизведения информации ССНИ была увеличена в несколько раз по сравнению со штатной радиолинией спутника. Во время проводимых во время полёта сеансов связи обнаружилось, что и эта скорость недостаточна, путём перепрограммирования ССНИ и наземных систем она была еще увеличена с проектных 64 кбит/с до 250 кбит/с, что в те годы было выдающимся показателем для исследовательских спутников. Это позволило резко сократить время воспроизведения информации и увеличить объём передаваемых данных. На спутнике «Интербол-2», проводившем большое количество волновых измерений, в дополнение к ССНИ была установлена система СТО-АП, передавшая аналоговые данные этих измерений в широкополосном режиме прямой передачи. Увеличены были и объемы информации, передаваемой на борт космического аппарата, что позволило обновлять программы работы научных приборов и постоянно управлять их режимами в ходе полёта . В ходе выполнения проекта основной объём научной информации, около 90 %, был получен через ССНИ и СТО-АП. На долю штатного магистрального радиокомплекса (МРК) аппаратов пришлось около 10 %. При этом потери данных, передаваемых через ССНИ были незначительными, менее 0,01 %, в то время как данные МРК имели большое количество сбоев, только половина информации, переданной через МРК, имела менее 1 % потерь .

Важной проблемой была защита бортовой аппаратуры от воздействия космической радиации . Традиционные методы защиты — металлические экраны, выбор радиационно-стойких электронных компонентов — не полностью исключали вероятность сбоев, вызванных энергичными частицами. Кроме того, с целью удешевления и ускорения разработки, при изготовлении ССНИ использовались стандартные компоненты в индустриальном, а не в космическом и военном исполнении, что могло дополнительно снижать надёжность работы. Частое прохождение радиационных поясов учитывалось в программе полёта и часть приборов, которая могла быть при этом повреждена, временно отключалась. ССНИ же должна была работать всё время. Были реализованы программные меры самопроверки, позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие при работе ССНИ . На спутнике «Интербол-2», проводившем в радиационных поясах около половины времени, уже во время полёта было произведено перепрограммирование бортового процессора ССНИ таким образом, чтобы на нём выполнялись одновременно три одинаковых программы, по результатам « голосования » обнаруживающие и исправляющие единичные сбои в ячейках памяти .

Для управления одновременным полётом четырёх спутников было разработано специальное математическое обеспечение. Управление «Интерболами» и приём научной информации с них осуществлялось средствами РНИИ КП с НИП-16 вблизи Евпатории , оснащенного несколькими мощными антенными комплексами. Управление субспутниками «Магион» и приём с них научной информации производились из чешской обсерватории (чешск.) ( .

Результаты проекта

«Интербол» был одним из первых космических проектов, в котором была реализована идея одновременных наблюдений с помощью одинаковых приборов, установленных на разных аппаратах . Сроки работы участвовавших в проекте аппаратов оказались различными, но на значительном временном интервале удалось получить результаты измерений с одновременно работавших пар спутников. Использование работающих в паре основного спутника и субспутника позволяло установить, какие изменения в магнитосфере происходят с течением времени, а какие — регистрируются вследствие перемещения КА в пространстве . Проект «Интербол» стал одной из самых успешных советских и российских программ по исследованию околоземного космического пространства. Объём данных, собранных в ходе проекта, превышает весь суммарный объём данных по солнечно-земной физике, полученный в исследованиях, проводимых ранее в СССР и в России в течение примерно тридцати лет. В ходе проекта были выявлены и недостатки использованных методов, что стимулировало дальнейшее развитие многоспутниковых измерений. В частности, измерения каждым из зондов «Интербола» производились только в двух точках, из-за чего было невозможно следить за развитием изучаемых процессов в трёхмерном пространстве. Трёхмерное наблюдение за околоземными процессами впервые было реализовано миссией ЕКА « (англ.) ( », запущенной в 2000-м году по программе исследования солнечно-земных связей и включавшей четыре идентичных аппарата, располагавшихся в пространстве в форме тетраэдра , в 2007-м году многоспутниковые исследования магнитосферы были продолжены в программе NASA THEMIS .

Сосредоточенный архив программы «Интербол», хранящийся в ИКИ РАН , включает более 300 Гбайт научных данных. Информация, поступавшая со спутников проекта, доступна для международного научного сообщества через всемирную базу данных Центра Годдарда NASA . На основе данных проекта «Интербол» опубликовано более 500 статей, значительная часть которых написана в рамках международного сотрудничества. Результаты проекта продолжают использоваться в научных работах, им посвящены несколько специальных выпусков российских и международных научных журналов в области космических исследований и физики Земли . Научные исследования, проводившиеся по проекту «Интербол», охватывают широкий круг проблем и включают собственно геофизические задачи по изучению структуры и динамики магнитосферы и ионосферы Земли, фундаментальные вопросы физики плазмы и астрофизики , связь процессов на Солнце и в межпланетной среде с « космической погодой », влияющей на биосферу , и человеческую деятельность .

В ходе реализации проекта «Интербол» был получен ценный опыт по созданию космических аппаратов, работающих в напряженной радиационной обстановке и методам их защиты от воздействия энергичных заряженных частиц . Были разработаны и успешно применены программные методы компенсации аппаратных сбоев, вызываемых космической радиацией в бортовом информационном комплексе . Сравнение стандартных и радиационно-стойких панелей солнечных батарей, проведённое на «Интерболе-2», показало, что степень деградации новых панелей за время полёта составила 20 %, в то время как стандартные панели деградировали на 70 % .

Развитие проекта

В продолжение исследований солнечно-земных связей с помощью многоспутниковых систем планировался российско-украинский проект «Интербол-Прогноз», который должен был включать группу из двух-трёх лёгких спутников на солнечно-синхронной орбите высотой около 600 км и аппарат среднего класса «Интербол-3», снабженный собственной двигательной установкой и работающий на высокой эллиптической орбите. «Интербол-3» должен был проводить измерения в межпланетной среде и внешней магнитосфере и продолжить исследования естественного фона миллиметрового излучения , начатые в эксперименте РЕЛИКТ-1 . Для решения всех научных задач для «Интербола-3» предлагалась сложная схема полёта, с начальным выведением на гало-орбиту точки либрации L1 системы Земля-Луна для изучения фронтального солнечного ветра, после чего он должен был перейти на эллиптическую орбиту вокруг Земли с апогеем 350 000—400 000 км и исследовать процессы в магнитосфере, а в завершение программы облететь точку L2, наиболее удобную для измерения СВЧ -излучений с низким уровнем помех. Этот проект реализован не был .

С начала 2000-х годов в ИКИ РАН началась подготовка международного многоспутникового эксперимента « Резонанс » по исследованию внутренней магнитосферы, предполагающего одновременные измерения с высоким разрешением на четырёх малых спутниках МКА-ФКИ , выведенных на высокоэллиптические орбиты . Первоначально запуск спутников проекта «Резонанс» предполагался в 2012 году , потом в 2017—2018 годах , впоследствии сроки еще сдвинулись, первый запуск спутника «Резонанс-МКА» планируется осуществить в качестве попутной нагрузки в 2027-2028 годах .

Примечания

Комментарии

Источники

Литература

• И. Лисов. (рус.) // Новости космонавтики : журнал. — 1998. — Т. 8 , № 21—22(188/189) . — С. 30—35 . — ISSN .
• Г.Н. Застенкер. (рус.) // Вестник : журнал. — ФГУП НПО им. С.А. Лавочкина , 2012. — № 4(15) . — С. 24—38 . — ISSN .
• Г.Н. Застенкер, Л.М. Зеленый, А.С. Селиванов, Л.С. Чесалин. Информационное обеспечение международного космического проекта «Интербол» (рус.) // Полёт : Общероссийский научно-технический журнал. — Машиностроение, 2007. — № 2 . — С. 17—21 . — ISSN .

Ссылки

• (неопр.) . Секция «Cолнечная система» Совета РАН по космосу .
• (англ.) . Gunter's space page . Дата обращения: 28 января 2021.