Интервью начальника отделения РКС Алексея Ковалева
Для чего нужен ГГАК-ВЭ на космических аппаратах «Арктика-М»?
— ГГАК-ВЭ нужен для прогноза «космической погоды», то есть отклонений магнитного и радиационного полей, вызванных активностью Солнца. Магнитное поле защищает Землю от космической радиации, а его изменения влияют на аппаратуру навигации, связи, авионики, на работу электроэнергетики, эксплуатацию трубопроводов, аэромагнитную съемку, бурение скважин, на радиационную безопасность при авиаперелетах, а также приводят к серьезным биомедицинским последствиям для человека.
— Как это проявляется?
— Наиболее часто это северные сияния в полярных областях. С точки зрения физики, заряженные частицы из космоса сталкиваются с ионами газов в верхних слоях атмосферы и ионосфере. Интенсивность их зависит от магнитного поля. Последствием таких магнитных бурь могут быть аварии энергосистем. Например, в 1989 году из-за мощного взрыва на Солнце большой объем ионизированного газа достиг Земли, образовав северное сияние, которое было видно вплоть до Техаса и Кубы. На фоне этого завораживающего явления, шесть миллионов жителей Квебека в Канаде оказались в темноте — энергосистема не справилась с перегрузкой, были выбиты все пробки, и 12 часов ее не могли восстановить.
Созданная в РКС бортовая аппаратура оперативно регистрирует изменения магнитного и радиационных полей, позволяет научиться предсказывать их возникновение и минимизировать их негативные последствия. В перспективе возможно создать систему аварийных предупреждений обо всех аномальных явлениях, которые зарождаются в космосе. С помощью проводимых в космосе измерений возможно будет даже оценивать вероятность появления северных сияний с прогнозом широт, на которых их можно наблюдать.
— Насколько долгосрочным может быть такой прогноз?
— Сегодня наша аппаратура дает опережающий прогноз данных на 4 часа, а в перспективе эта цифра может значительно вырасти — до периода в 2-4 суток.
— Как сегодня работает система, как собираются данные? На Землю они передаются в реальном времени?
— При мониторинге данные со спутника нужны в реальном времени. Для аппарата «Арктика-М» № 1 такая опция доступна только на «рабочем» верхнем участке орбиты сложной эллиптической формы. Но измерения ведутся непрерывно, а накопленная информация передается на Землю, когда открывается «окно», при специальном высокоскоростном сбросе.
Когда система «Арктика» расширится до двух аппаратов, спутники будут следовать друг за другом в противофазе, непрерывно вести наблюдения за территорией России в полярных районах и непрерывно передавать данные. Такой объем позволит впервые в истории проводить оперативный полномасштабный мониторинг и делать прогноз как обычной, так и «космической» погоды в полярной зоне, то есть в зоне магнитного полюса.
Первые два аппарата должны работать с разнесением по орбите на 180 градусов, с рабочим участком, находящимся преимущественно над российской частью Северного Ледовитого океана. Орбита третьего и четвертого аппаратов будет такой же по форме, но в другой плоскости, для съемки и измерений уже над противоположной частью Северного Ледовитого океана — над территорией Канады и Гренландией.
Любопытно, что раньше эта орбита использовалась только для задач коммуникации и связи. Например, прямой телеэфир на территорию СССР в ходе Олимпиады-80 реализовывался с этой орбиты с использованием наземных поворотных антенн сети «Орбита». Сейчас для задач телевещания и связи используются спутники на геостационарной орбите, которые занимают постоянную точку вдоль экватора Земли и не требуют для приема сигнала поворотных антенн.
— Где на Земле обрабатывается переданная информация?
— Вся собранная информация направляется со спутника напрямую в институт Росгидромета — Институт прикладной геофизики, где декодируется и анализируется. Туда же передаются и данные со спутников на других орбитах, в том числе низкоорбитальных серии «Метеор-М» и геостанционарных серии «Электро-Л».
— Из каких приборов состоит гелиогеофизический аппаратурный комплекс ГГАК-ВЭ?
— Гелиогеофизический комплекс «Арктики» состоит из магнитометра, который каждую секунду проводит измерения магнитного поля на высоте орбиты, а также двух приборов контроля радиационной обстановки. Мозг комплекса — цифровой интерфейсный блок, обеспечивающий прием и исполнение команд, запись и передачу данных.
Аппаратура модернизирована, она получила больше измерительных диапазонов, чем гелиогеофизические аппаратурные комплексы для других орбит. Это позволяет получать большие объемы информации от «Арктики-М» № 1.
— Какие измерения этот спутник будет проводить впервые?
— Нижняя часть витка «Арктики-М» проходит через неблагоприятную зону радиационных поясов Ван-Аллена. Это область ближайшего космического пространства, в которой накапливаются электроны и протоны, здесь самая жесткая радиация в околоземном пространстве. Другие космические аппараты летают либо ниже (МКС и наноспутники), либо выше этого пояса (спутники связи, навигации).
Регулярных данных и прямых измерений радиации в этих поясах крайне мало, наше оборудование позволит впервые получить данные в большом и регулярном объеме. Это даст качественный скачок в изучении явлений в самых агрессивных околоземных поясах для понимания физических процессов в окрестностях Земли.
— В чем новизна приборов ГГАК-ВЭ?
— Подобные приборы традиционно изготавливали академические организации. Для них это была непрофильная деятельность, и приборы создавались энтузиастами в единичных экземплярах. Изменить такой подход потребовалось после того, как в 2015 году была поставлена цель развертывания космических систем «Метеор-М», «Электро-Л» и «Арктика-М» из нескольких аппаратов (в рамках Федеральной космической программы 2015-2025).
С учетом производственных и испытательных мощностей, компетенции в проверках электронно-компонентной базы производство комплексов было поручено «Российским космическим системам». В результате изменена кооперация, обеспечивается одновременное производство нескольких комплексов.
— Какие гелиогеофизические приборы разрабатывались специально для этого спутника?
— Магнитометр для «Арктики-М» применен впервые, далее он будет устанавливаться на все перспективные российские метеорологические космические аппараты.
Большинство приборов этого гелиогеофизического комплекса являются разработками последних лет и уже используются на других космических аппаратах. Например, в 2019 и 2020 годах на спутниках «Метеор-М» № 2-2 и «Электро-Л» № 3 успешно прошли летные испытания блок накопления данных и детектор галактических космических лучей. В результате эти приборы унифицированы для всех российских метеорологических спутников.
— Какие перед вами стояли технические задачи?
— Одной из важнейших задач при производстве измерительных приборов стало метрологическое обеспечение работ. Это потребовало тщательного подхода к планированию наземных испытаний. В ведущих российских метрологических организациях была проведена калибровка всех измерительных приборов. Для этого были задействованы уникальные испытательные установки ВНИИМ им. Менделеева, ИЯФ СО РАН, ВНИИФТРИ. Для комплексов предыдущего поколения в полном объеме такие работы не финансировались и не проводились.
На спутнике большинство приборов термостабилизированы для обеспечения точности и долговременной работы регистрирующей аппаратуры, в том числе с использованием двухступенчатой системы обеспечения теплового режима. Два контура нагрева внутри и снаружи космического прибора существенно улучшают его точностные характеристики. К тому же это исключает преждевременную деградацию приборов из-за циклических перепадов температур.
— В надежности приборов уверены?
— На Земле невозможно полностью воспроизвести условия космического полета. Особенно это касается работы аппарата на эллиптической орбите, проходящей через агрессивные радиационные пояса. Испытания на Земле последовательно имитируют факторы, которые в космическом пространстве действуют одновременно. Либо создается глубокий вакуум и диапазон температур в условиях открытого космоса, либо имитируется солнечное излучение и радиация.
Сейчас «Арктика-М» № 1 проходит летные испытания для подтверждения характеристик аппаратуры в реальных условиях полета до окончательной ее передачи потребителю — службам Росгидромета. Результаты этих испытаний позволят сделать окончательные выводы.
— Сколько эти приборы смогут проработать на орбите?
— Техническое задание с учетом специфики орбиты, проходящей через радиационные пояса, предполагает работу спутника в течение семи лет. При этом сегодня работают приборы комплекса ГГАК на космическом аппарате «Метеор-М» № 1, запущенном еще в 2009 году. Расчетный срок службы превышен для них более чем в два раза. Механических и иных ограничений у нас нет, в том числе по расходу рабочего тела и газов.
— В каком направлении может пойти развитие оборудования?
— Общая текущая задача ближайших лет — развертывание полноценной группировки метеорологических космических аппаратов на трех орбитах. Три аппарата серии «Электро-Л» на геостационарной, четыре аппарата серии «Арктика-М» на эллиптической, и четыре аппарата серии «Метеор-М» на низкой орбите.
Россия единственная страна в мире имеющая спутники на высокоэллиптической орбите для покрытия Арктики. 6 спутников связи «Меридиан-М», 4 спутника ядерного сдерживания «Тундра» и метеоспутник «Арктика-М».
Контроль Арктики