Академический микроспутник «Чибис-М» Заседание Совета РАН по космосу 3 июля 2014 г. Докладчик д. ф. -м. н. С. И. Климов (п. 1. 1 повестки дня)
Эксперимент «Микроспутник» на РС МКС Исследования физических процессов при атмосферных грозовых разрядах на базе микроспутника «Чибис-М» с использованием грузового корабля «Прогресс» . Научные руководители: академик РАН Зелёный Л. М. академик РАН Гуревич А. В. «Чибис-М» выведен на орбиту 25 января 2012 г. сайт: http: //chibis. cosmos. ru Зелёный Л. М. , А. В. Гуревич, С. И. Климов, В. Н. Ангаров, и др. Академический микроспутник «Чибис-М» . Космические исследования, 2014, том 52, № 2, с. 93– 105. http: //www. cosmos. ru/books/2009 chibis-m. pdf
Riousset et al. , (2007), Three-dimensional fractal modeling of intracloud lightning discharge in a New Mexico thunderstorm and comparison with lightning mapping observations, JGR, 112(D 15), D 15203, doi: 10. 1029/2006 JD 007621. adopted from google. com Hayakawa et al. , (2008), Modeling of thundercloud VHF/UHF radiation on the lightning preliminary breakdown stage, JASTP, 70(13), 1660– 1668, doi: 10. 1016/j. jastp. 2008. 06. 011.
Gurevich A. V. , Zybin K. P. , Medvedev Yu. V. Runaway breakdown in strong electric field as a source of terrestrial gamma flashes and gamma bursts in lightning leader steps// Phys. Lett. 2007. V. 361. P. 119 – 125.
Для исследования новых физических процессов при высотных атмосферных грозовых разрядах и механизмов формирования в них гамма-вспышек, инфракрасных и ультрафиолетовых излучений, электромагнитных излучений в широком диапазоне частот необходимо проводить синхронные измерения в этих диапазонах с очень высоким (лучше единиц микросекунд) временным разрешением. Впервые в практике фундаментальных космических исследований в ИКИ РАН с кооперацией создан комплекс научной аппаратуры (КНА “Гроза”) ориентированный на изучение физических процессов, связанных с высотными атмосферными грозовыми разрядами, и размещаемый на микроспутнике «Чибис. М» .
Приборный состав КНА «Гроза» (кооперация): рентген-гамма детектор – РГД (НИИЯФ МГУ) рентгеновского и гамма-излучения 0, 02… 1, 0 Мэ. В; УФ-детектор – ДУФ (НИИЯФ МГУ) спектра излучения от УФ (180… 400 нм) до ИК (650… 800 нм); радиочастотный анализатор – РЧА (ИКИ РАН) в диапазоне частот от 26 до 48 МГц; цифровая камера – ЦФК (ИКИ РАН) с пространственным разрешением 300 м и экспозицией 15 кадров/с; магнитно-волновой комплекс – МВК – рис. 2 (ЛЦ НАНУ ГКАУ, Украина; Университет им. Л. Этвѐша, BL-Electronics, Венгрия) в диапазоне частот от 1 до 40 000 Гц; блок накопления данных БНД (ИКИ РАН); передатчик 2, 2 ГГц с антеннами – ПРД 2. 2 (ИКИ РАН).
Приборный состав КНА «Гроза» ДУФ МВК РЧА (триггер) ЦФК память ДУФ РГД
Основные технические характеристики академического микроспутника "Чибис-М". Масса 40 кг. - научные приборы 10. 8 кг. - служебная аппаратура 12. 6 кг. - конструкция и система терморегулирования 16. 6 кг. Орбита круговая высотой ~ 500 км. Время активного существования не менее 2 -х лет. Система ориентации: электромеханическая (электро-маховики) - магнитодинамическая (электромагниты), гравитационная (штанга) - точность определения ориентации по датчикам (солнечный) и системе GPS - ГЛОНАСС до 2 -х угл. мин. - точность наведения +/- 3 – 15 угл. мин. Система передачи данных: - борт-земля – 1 Мбит/с; - объем накопительной памяти комплекса научной аппаратуры – 256 Мбайт; - минимальный суточный объем принимаемой от КНА информации – ~ 50 Мбайт; - радиочастоты командной и телеметрической линий – 145, 435 МГц; - радиочастота передачи информации от КНА – 2200 МГц Система бортового энергопитания - мощность ~ 50 Вт круглосуточно. - напряжение 12 +/- 3 В - ёмкость БХБ, суммарная 9. 5 А/час - суммарная площадь солнечных батарей 0. 95 м 2 «Чибис-М» разработан и изготовлен без финансирования по ФКП
О. Кононенко и А. Шкаплеров
После отделения от МКС по специальной программе ТГК «Прогресс М-13 М» совершил манёвр по поднятию своей орбиты на высоту 513 км. Важной технологической операцией была организация специалистами РКК «Энергия» телевизионной трансляции в реальном времени момента выхода МС «Чибис-М» из ТПК и отделения его от «Прогресс М-13 М» . Момент отделения был рассчитан так, чтобы оно происходило на освещённом участке орбиты при положении вектора скорости ТГК от Солнца. Это обеспечивало хорошую экспозицию в течение ~ 10 мин.
25 января 2012 г. вывод «Чибис-М» на орбиту
Доставка «Чибис-М» на орбиту осуществлена в рамках инфраструктуры РС МКС
В ИКИ РАН созданы и в течение 2, 5 лет как единое целое успешно эксплуатируются космический и наземный сегменты
Используется вариант регистрации молниевых разрядов по триггеру радиочастотного анализатора РЧА. Этот вариант является одним из 6 -ти заложенных в программу работы КНА «Гроза» . За прошедшие 2, 5 года работы «Чибис-М» зарегистрировано несколько сотен срабатываний триггера РЧА, из них более сотни, связанных с короткими и мощными грозовыми разрядами, также регистрируемыми прибором ДУФ.
MHz 48 26 Ch 5 Ch 4 Ch 3 Ch 2 Ch 1 Time, ms Нет триггера!
MHz 48 Ch 5 Ch 4 Ch 3 Ch 2 Ch 1 Time, ms 26 Триггер!
Результаты. РЧА. Пример зафиксированных радиовсплесков - короткие мощные разряды длительностью около 10 мкс, на спектрограмме выглядящие как четкие связные треки, претерпевающие дисперсионные искажения в тропосфере. Их амплитуда обычно больше первых.
Разработанная методика коррелированного анализа массива РГД с массивом РЧА способствовала пониманию реальных грозовых событий, сопровождаемых одновременно гамма - и радио- излучениями.
Результаты. РГД. Получена количественная оценка потока гамма-квантов регистрируемых после триггера РЧА за интервал времени, перекрывающий длительность типичного TGF = 3 мс. Получено, что верхний предел на поток гамма-квантов после триггера РЧА в течение 3 мс много меньше той величины, что должна была получиться для типичных TGF с RHESSI и BATSE. Если за всплеск (3 мс) регистрируется 3 гамма-кванта (больше РГД не наблюдал ни в одном всплеске, инициированном РЧА) и все они не фоновые и имеют энергию 1 Мэ. В (максимум диапазона РГД), то суммарная энергия этих квантов составила Спектры типичного TGRF по данным RHESSI – измеренный (крестики) и расчетные (гладкие линии), полученные для бы 3 Мэ. В. В этом случае энергия в разных значений высоты источника (или толщины источнике, выделенная за 3 мс, поглощающего слоя атмосферы) при заданной интенсивности возросла бы в ~16 раз и составила в источнике. Внизу гистограмма верхних пределов на спектральную ~1, 2· 1015 Мэ. В, или ~192 Дж. плотность потока гамма-квантов, регистрируемого РГД после триггера РЧА.
Результаты. ДУФ. Пример регистрации ДУФ уникальной по длительности - 1. 5 секунды - вспышки с помощью последовательности из 6 осциллограмм длительность 256 миллисекунд. Синий луч осциллограмма ультрафиолетового излучения, красный луч осциллограмма инфракрасного излучения.
Карта совместных измерений РЧА+ДУФ Синим цветом отмечены грозовые центры, молниевая активность которых наблюдалась одновременно приборами РЧА и ДУФ. Красным цветом отмечены события, в которых отсутствовал сигнал в ДУФ, что говорит о темном (“dart”) ступенчатом лидере.
Данные комплекса МВК о КНЧ-УНЧ-ОНЧ электромагнитных излучениях, полученные в спокойных и возмущённых геомагнитных условиях с высоким спектральным разрешением и в большом динамическом диапазоне, позволили выделить специфические характеристики ряда ионосферномагнитосферных излучений, в том числе характеризующих глобальную грозовую активность и космическую погоду.
Карты совместных измерений РЧА и МВК 0. 001 -40 к. Гц E, Uo Bx, By, Bz Jx, Jy РЧА 26 -48 МГц
Излучение Ионосферного Резонатора (ИАР) Альвеновского Несмотря на регулярные наземные наблюдения спектральных особенностей ИАР (0. 5 -5 Гц) , при спутниковых наблюдениях ранее не отмечалось появления этих излучений на средних широтах. Несколько событий, связанных с ИАР, были обнаружены по данным электрического датчика на «Чибис-М» . Спектральные гармоники на частотах f~0. 35, 0. 55, 1. 0 Hz. Триггерное возбуждение подтверждено грозовыми Спектральная центрами по данным системы регистрации молний WWLLN. плотность Ef~33 ( V/m)/Hz 1/2
Результаты. МВК. Уникальный случай регистрации излучений 60 Гц длинной линии электропередач
Международная научно-техническая конференция «Академический микроспутник «Чибис-М» . 04 февраля 2014 г. , ИКИ РАН, г. Москва
Получение информации (Гбайт)
Программа работы РЧА и МВК, скоординированная с наземными наблюдениями реализуется с июля 2013 г. : 1) Геофизическая обсерватория «Михнево» ИДГ РАН (54° 57´ с. ш. , 37° 46´ в. д), имеющей комплекс радиофизических, электромагнитных, оптических и акустических исследований. 2) Нагревный стенд EISCAT/Heating. EISCAT – Ионосферный нагревный стенд и Радар некогерентного рассеяния (Тромсё, Норвегия). 3) Программа «ЛИНК-Чибис» (Львов – ИНфразвук – Киев - КА Чибис). Программа одобрена ГКА Украины. 4) Стенд СУРА (Нижний Новгород). По предварительной договорённости ИПФ РАН, ИКИ РАН и ИДГ РАН стенд будет работать в марте 2014 г. 5) Синхронный наземно-космический эксперимент (февраль – март 2014) по наблюдению ИАР в магнитосопряженных точках (мст) а) Обсерватория НЧО (Украина, 49. 93 СШ 36. 95 ВД - мст 37. 53 ЮШ 48. 74 ВД); б) Обсерватория Монды (Россия, 51. 62 СШ 100. 92 ВД–мст 34. 98 ЮШ 105. 3 ВД); в) Антарктическая станция «Академик Вернадский» (65. 25 ЮШ 64. 25 ЗД - мст 42. 11 СШ 70. 3 ЗД)
Перспективы В основную часть «Долгосрочной программы НПИ и экспериментов на РС МКС» включены КЭ: Ø «Чибис-АИ» (Исследование природы высотных «Чибис-АИ» ( молний и сопутствующих им процессов в атмосфере и ионосфере Земли); Ø «Чибис-Трабант» (Мониторинг окружающей «Чибис-Трабант» ( космической среды электромагнитно чистыми микроспутниками);
TARANIS (Tool for the Analysis of RAdiations from light. NIngs and Sprites) French micro-satellite project managed by the Laboratoire de Physique et Chimie de l'Environnement and Centre National d'Etudes Spatiales (Orleans) q q The polar orbit at 650 km altitude Payload includes: 2 cameras and 3 photometers (from IR to UV), X- and -ray detectors (20 kev - 10 Mev), energetic electron detectors (70 kev - 4 Mev), and electric- and magnetic sensors in a wide range (1 Hz - 30 MHz). Launch is scheduled for 2017.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
Публикации. Статьи в журналах – 12 Тезисы докладов – более 30 Статьи 2013 -2014 1. Климов С. И. , Эксперимент на академическом микроспутнике «Чибис-М» . Земля и Вселенная, № 3, 2013, с. 17 -27. 2. Gotlib V. M. , Karedin V. N. , Klimov S. I. , Kozlov V. M. , Kozlov I. V. , Vavilov D. I. , Dolgonosov M. S. , Garipov G. K. , Svertilov S. I. , Bogomolov V. V. , Yashin I. V. , Korepanov V. E. , Bodnar L. , Ferenz Cs. Academic microsatellite "Chibis-M". Algorithm of the formation of high altitude atmospheric lightning trigger testing. Small Satellites for Earth Observation. Digest of the 9 th International Symposium of the International Academy of Astronautics (IAA), Berlin, April 8 -12, 2013. Editors: Rainer Sandau, Hans-Peter Roeser, Arnoldo Valenzuela. Wissenschaft und Technik Verlag, Berlin, p. 121 -124. 3. Nazarov V. , R. Nazirov, L. Zelenyi, V. Angarov, O. Batanov, L. Bodnar, N. Eismont, V. Gotlib, V. Karedin, S. Klimov, F. Korotkov, I. Kozlov, A. Ledkov, A. Melnik, A. Papkov, V. Rodin, A. Ryabova, Ya. Shmelauer, A. Tretiakov. Ground segment and operations for microsatellite “Chibis‑M”: Learned lessons, current status and prospective evolutions. Small Satellites for Earth Observation. Digest of the 9 th International Symposium of the International Academy of Astronautics (IAA), Berlin, April 8 -12, 2013. Editors: Rainer Sandau, Hans. Peter Roeser, Arnoldo Valenzuela. Wissenschaft und Technik Verlag, Berlin, p. 217 -220. 4. Зелёный Л. М. , А. В. Гуревич, С. И. Климов, В. Н. Ангаров, О. В. Батанов, А. В. Богомолов, В. В. Богомолов, Д. И. Вавилов, Г. А. Владимирова, Г. К. Гарипов, В. М. Готлиб, М. Б. Добриян, М. С. Долгоносов, Н. А. Ивлев, А. В. Калюжный, В. Н. Каредин, С. О. Карпенко, В. М. Козлов, И. В. Козлов, В. Е. Корепанов, А. А. Лизунов, А. А. Ледков, В. Н. Назаров, М. И. Панасюк, А. П. Папков, В. Г. Родин, П. Сегеди, С. И. Свертилов, А. А. Суханов, Ч. Ференц, Н. А. Эйсмонт, И. В. Яшин. Академический микроспутник Чибис Космические исследования, 2014, том 52, № 2, с. 93– 105. 5. Dudkin D. , V. Pilipenko, V. Korepanov, S. Klimov, R. Holzworth. Electricfield signatures of the IAR and Schumann resonance in the upper ionosphere detected by Chibis-M microsatellite. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 117 (2014) 81– 87.
Прямые измерения КНА «Гроза» показали, что характерные условия, возникающие в наэлектризованном грозовом облаке, из-за их большой размерности не воспроизводимы в лабораторных условиях. Результаты измерений показали необходимость учета фрактальных свойств ( -фракталы временных серий и пространственные D-фракталы) распределения зарядов в облаке и перколяционных эффектов протекания разрядов в неоднородной турбулентной среде, на которые ранее мало обращали внимание при изучении атмосферного электричества.
Скачать презентацию Академический микроспутник Чибис-М Заседание Совета РАН по космосу
24418f783dfeffdc838b291877d932a8.ppt