АПЭ́КС ( Активный Плазменный ЭКСперимент ) — международный проект по изучению магнитосферы и ионосферы Земли , осуществлявшийся в 1992—1999 годах. Проект реализован в рамках программы « Интеркосмос » как продолжение и развитие эксперимента «Активный», проводимого в 1989—1991 годах на спутнике « Интеркосмос-24 ». Основным содержанием проекта «АПЭКС» были эксперименты по исследованию околоземной плазмы и магнитосферно-ионосферного взаимодействия в условиях воздействия электронных и ионных пучков, инжектируемых с борта космического аппарата « Интеркосмос-25 ». Возникающие эффекты регистрировались приборами самого аппарата и субспутника « Магион-3 », находившегося на контролируемом расстоянии от основного спутника. Важной частью программы были пассивные исследования природных и антропогенных явлений в магнитосфере и ионосфере. Проведение измерений с двух космических аппаратов, оснащённых аналогичными комплексами инструментов, позволило различать вариации изучаемых явлений, происходящие в пространстве и во времени. В проекте «АПЭКС» участвовали научные организации России , Украины , Чехии , Польши , Болгарии , Германии , Румынии , Венгрии , США , Франции , Индии .

Активные космические эксперименты

Первыми активными экспериментами в космосе можно считать атмосферные и заатмосферные ядерные испытания , в ходе которых проводилось и изучение возникающих в ионосфере эффектов. Затем начались эксперименты с ускорителями заряженных частиц, устанавливаемых на геофизических ракетах и космических аппаратах . Позже стали проводиться опыты с излучением электромагнитных волн различных диапазонов и изучению (англ.) ( при инжекции нейтрального газа. Во всех этих экспериментах возникают сходные эффекты в околоземной плазме : её нагрев, появление электрических полей и токов , ускорение частиц, возникновение КНЧ-ОНЧ и Альвеновских волн. В многоспутниковых экспериментах изучается развитие этих эффектов в пространстве и движение заряженных частиц, инжектированным одним аппаратом и регистрируемых на другом, вдоль силовых линий геомагнитного поля .

Ещё одним важным направлением активных экспериментов в космосе является управление электрическими зарядами , приобретаемыми космическим аппаратом при взаимодействии с космической плазмой и особенно при прохождении радиационных поясов . Образование таких зарядов может оказывать существенное влияние на работу космического аппарата, вызывать сбои в работе его аппаратуры и ускоренную деградацию солнечных батарей . Для защиты космических аппаратов от влияния электрических зарядов применяются как пассивные методы, такие как электрическое экранирование и выравнивание электрического потенциала на поверхности аппарата, так и активные, в основе которых лежит сброс электрического заряда с поверхности аппарата с помощью инжекции электронных или ионных пучков .

Задачи проекта АПЭКС

В проекте предполагалось продолжение исследований околоземного пространства, начатых в эксперименте «Активный» на спутнике « Интеркосмос-24 ». Проект начинался под названием «Активный-2» и был официально переименован в «АПЭ́КС» (Активный Плазменный ЭКСперимент) в 1990 году. Целью проекта было изучение воздействия модулированных электронных и плазменных пучков и порождаемых ими электромагнитных волн на ионосферу и магнитосферу Земли. В ходе экспериментов исследовались электрические поля и токи , через которые происходит взаимодействие ионосферы и магнитосферы, а также потоки заряженных частиц вдоль силовых линий магнитного поля Земли . Эти поля и токи, усиливающиеся во время магнитных бурь , порождают полярные сияния и всплески радиошумов, осложняющих радиосвязь . Исследования по проекту «АПЭ́КС» проходили в 1992—1999 годах на космических аппаратах « Интеркосмос-25 » и « Магион-3 ». В проведённых экспериментах изучалось взаимодействие генерируемых электронных и ионных пучков с естественными структурами в околоземной плазме, искусственно вызывались явления, аналогичные естественным, такие как полярные сияния, моделировались физические процессы в плазме, невоспроизводимые в лабораторных условиях. С помощью установленных на спутниках приборов проводилось также пассивное изучение явлений в ионосфере и магнитосфере .

В ходе проводимых экспериментов исследовалось волновое излучение, вызываемое модулированным пучком электронов, и генерируемые им вистлеры в окрестности работающего инжектора и в районе геомагнитного экватора. Моделировались и инициировались полярные сияния и радиочастотное излучения в авроральной области . Изучались процессы приобретения электрических зарядов космическими аппаратами и нейтрализации этих зарядов. Проводилось возбуждение модулированным плазменным пучком магнитогидродинамических и низкочастотных волн в ионосфере и поиск нелинейных структур в возбуждённой ионосферной плазме. Исследовались связи электромагнитных волн в ионосфере и магнитосфере и процессы преобразования энергии в системе « солнечный ветер — магнитосфера — ионосфера ». В программу пассивных наблюдений входило изучение профилей ионосферной плазмы в различных условиях, картографирование ионосферы, изучение полярных , исследование оптического и радиоизлучения в авроральной области .

Космические аппараты проекта АПЭКС

Спутники «Интеркосмос-25» и «Магион-3» были запущены 18 декабря 1991 года ракетой-носителем « Циклон-3 » с космодрома « Плесецк » на эллиптическую орбиту с апогеем 3080 км , перигеем 440 км , наклонением 82,5° и периодом обращения 122 мин. Это был единственный советский запуск научно-исследовательских спутников в 1991 году . Субспутник «Магион-3» был установлен на основном спутнике «Интеркосмос-25» и отделился от него через 10 дней после выведения на орбиту. В ходе полёта «Магион-3» совершал орбитальные манёвры, меняя расстояние до основного спутника от сотен метров до сотен километров и оказываясь впереди или позади него по ходу полёта . Использование двух аппаратов, имеющих аналогичные наборы научных приборов и проводящих измерения одновременно, позволило различать развитие наблюдаемых эффектов в пространстве и во времени .

Интеркосмос-25

Cпутник «Интеркосмос-25» ( АУОС-З-АП-ИК ) массой 1300 кг был создан в КБ «Южное» на платформе АУОС-З . Спутник имел систему гравитационной ориентации и стабилизации относительно местной вертикали, ориентация и стабилизация по курсу осуществлялась блоком маховика . Входящая в состав платформы АУОС-3 единая телеметрическая система обеспечивала управление как самим аппаратом, так и установленными на нём приборами, запись и передачу собранной научной информации .

На борту «Интеркосмос-25» были установлены следующие научные инструменты :

• Ускоритель электронов , созданный ИЗМИРАН , Институтом электросварки имени Е. О. Патона и (укр.) ( НАН Украины . Было произведено более двухсот сеансов инжекции электронных пучков, модулированных частотой 32—20 000 Гц .
• Ускоритель плазмы , использующий ксенон в качестве рабочего тела, был создан ИЗМИРАН и калининградским (англ.) ( , производящим плазменные двигатели для космических аппаратов. Было произведено более 250-ти сеансов инжекции плазмы, модулированной частотой 32-1000 Гц.
• Четыре инструмента для измерения параметров плазмы и заряженных частиц, разработанные ИКИ РАН , НИИЯФ МГУ , (чешск.) ( , ИЗМИРАН , Центром космических исследований АН Болгарии .
• Низкочастотный волновой комплекс, предназначенный для анализа электромагнитных волн в диапазоне 0.1-20 000 Гц, созданный в ИЗМИРАН .
• Высокочастотный волновой комплекс, разработанный ИЗМИРАН и (англ.) ( , работал в диапазоне 0,1 — 10 МГц.
• Три прибора для измерения электрических и магнитных полей и низкочастотных вариаций магнитного поля, созданные ИЗМИРАН и Центром космических исследований АН Болгарии .
• Широкополосный фотометр , фиксирующий излучение в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного , созданный в оптической лаборатории Центра космических исследований АН Болгарии , и трехканальный спектрофотометр разработанный ИЗМИРАН и Киевским университетом .

В состав полезной нагрузки спутника входила система технического обеспечения СТО-АП, осуществляющая управление режимами приборов, сбор и предварительную обработку данных. СТО-АП позволяла получать информацию в большем объёме и с лучшим временным разрешением, чем единая система телеметрии спутника. Данные СТО-АП передавались в основном во время сеансов в реальном времени, воспроизведение записанных данных системой СТО-АП было возможно в ограниченном объёме и применялось эпизодически .

Управление спутником и приём данных единой системы телеметрии осуществлялись из Центра управления полётом космических аппаратов научного и народнохозяйственного назначения, располагавшегося в ИКИ РАН . Данные от системы технического обслуживания научных приборов СТО-АП передавались на приёмные пункты ИЗМИРАН ( Троицк , Апатиты ), ИКИ РАН ( Таруса ), обсерватории (чешск.) ( и Нойштрелиц . При этом зоны видимости спутника со станций единой телеметрической системы и станций приёма данных СТО-АП не всегда перекрывались, в результате чего данные экспериментов, управляемых через единую систему телеметрии, могли быть не доступны через СТО-АП. Кроме того, канал передачи информации СТО-АП оказался подвержен сильному влиянию инжектируемой плазмы, из-за чего происходило пропадание части переданных данных. В результате в некоторые моменты было невозможно получить полный набор информации от научной аппаратуры и приходилось искать компромиссы между одновременными режимами работы различных инструментов .

Магион-3

Микроспутник «Магион-3» (С2-АП) массой 52 кг создан в (чешск.) ( Чехословацкой Академии наук . Ориентация аппарата осуществлялась по магнитному полю Земли. Для маневрирования на орбите использовалась двигательная установка , созданная в КБ «Южное» и работающая на сжатом газе . Управление полётом спутника «Магион-3» и приём научной информации осуществлялись чешской обсерваторией (чешск.) ( .

На борту «Магиона-3» были установлены следующие научные инструменты :

• Пять приборов для измерения параметров плазмы и заряженных частиц, созданных (чешск.) ( , Пражским университетом , Германским институтом космических исследований , НИИЯФ МГУ , Центром космических исследований АН Болгарии .
• Трёхкомпонентный магнитометр , Политехнический университет Бухареста .
• Волновой комплекс анализа низкочастотных электрических и магнитных полей, (чешск.) ( .
• Радиоспектрометр, (англ.) ( .
• Инфракрасный двухканальный фотометр, Центр космических исследований АН Болгарии .

Результаты проекта

В ходе проекта «АПЭКС» впервые исследовалась возможность применения модулированных пучков заряженных частиц в качестве бесконструкционных излучающих антенн . Низкочастотное излучение на основной частоте модуляции электронного пучка было зафиксировано на борту субспутника, находившегося на расстоянии нескольких десятков километров от основного космического аппарата. Проведены эксперименты по изучению (англ.) ( при инжекции нейтрального газа в околоземную плазму . Экспериментально исследована возможность инжекции со спутника электронных пучков на высотах 500—1000 км в условиях нескомпенсированного заряда аппарата и компенсации заряда эмиссией ксеноновой плазмы. На субспутнике «Магион-3» впервые проводились натурные наблюдения в околоземном пространстве электронных пучков, инжектируемых основным аппаратом, обнаружено ускорение электронных всплесков до энергий в несколько сот килоэлектронвольт .

В ходе пассивных исследований на спутниках проекта «АПЭКС» изучалось распространение в магнитосферу возмущений из локальных областей ионосферы, искусственно нагретых стендом «Горизонт» . Проводилось изучение естественных ионосферных явлений — экваториальной аномалии , главного ионосферного провала , (англ.) ( . Были открыты новые типы ионосферных провалов в средних и высоких широтах. Впервые в ходе космических экспериментов была продемонстрирована возможность баллистического прохождения волны через ионосферный (англ.) ( и предложена качественная теория этого явления. Обнаружены новые типы нелинейных электромагнитных структур в ионосфере. В ходе наземно-спутниковых измерений отрабатывались методы спутниковой радиотомографии и были построены послойные профили ионосферы в реальном времени .

Примечания

Комментарии

Источники

Литература

• К. Лантратов. АУОСы продолжают работу (рус.) // Новости космонавтики : журнал. — 1995. — № 21(110) .
• Ракеты и космические аппараты конструкторского бюро «Южное» / Под общ. ред. С. Н. Конюхова . — Днепропетровск: ООО «КолорГраф», 2001. — 240 с. — 1100 экз. — ISBN 966-7482-00-6 .
• Л.С. Новиков. Взаимодействие космических аппаратов с окружающей плазмой (рус.) . — М. : Университетская книга, 2006. — ISBN 978-5-01304-019-0 .
• В. Д. Кузнецов . Космические исследования ИЗМИРАН (рус.) // Успехи физических наук : журнал. — 2010. — Т. 180 , № 5 . — С. 554—560 . — ISSN . — doi : .
• Lubomir Prech, Yuri Y. Ruzhin, Vladimir S. Dokukin, Zdenek Nemecek, Jana Safrankova. Overview of APEX Project Results (англ.) // Space Physics : Open Access Publisher and Open Science Platform. — Frontiers, 2018. — December. — doi : .

Сcылки

• (англ.) . ИЗМИРАН . Дата обращения: 31 марта 2021.
• (англ.) . Gunter's space page . Дата обращения: 3 февраля 2021.
• (англ.) . Gunter's space page . Дата обращения: 31 января 2021.