Слайд 1 - ФГУП ЦНИИмаш

ЦНИИМАШ
TSNIIMASH
Научные и прикладные геофизические
эксперименты «Релаксация»
SCIENTIFIC AND APPLIED GEOPHYSICAL EXPERIMENTS
“RELAXATION”
Пластинин Ю.А., Карабаджак Г.Ф., Афанасьев А.В.
(ФГУП ЦНИИмаш, г. Королев, Московская обл.)
II Международная научно-практическая конференция
«Научные исследования и эксперименты на МКС»
09 – 11 апреля 2015 г., ИКИ РАН, г. Москва
ЦНИИМАШ
TSNIIMASH
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
“РЕЛАКСАЦИЯ”
SE “RELAXATION” MAIN OBJECTIVES
1. Исследование процессов в верхней атмосфере Земли и околообъектовой
среде МКС при воздействии на них высокоскоростных продуктов выхлопов
ДУ с целью создания моделей взаимодействия и параметров собственной
внешней атмосферы космического аппарата (СВА КА).
2. Исследование
физико-химических
и
радиационных
явлений,
сопровождающих вход КА в атмосферу Земли, для уточнения моделей
теплообмена и теплофизических свойств высокоскоростных течений на
основе теоретической интерпретации результатов КЭ.
3. Исследования излучения верхней атмосферы Земли и околоземного
космического пространства в УФ, видимом и ближнем ИК-диапазонах
спектра с целью получения данных, необходимых для моделирования
атмосферных явлений естественного и техногенного происхождения
ЦНИИМАШ
TSNIIMASH
Спектрозональная оптическая система
«Фиалка-МВ-Космос»
“Fialka-MV-Kosmos” instruments
Назначение: Геофизические исследования на РС МКС естественных и антропогенных
явлений в атмосфере и ионосфере Земли в ультрафиолетовом диапазоне спектра.
Ключевые элементы:
- сверхчувствительная солнечно-слепая камера с микроканальным усилителем изображения
ультрафиолетового диапазона;
- широкодиапазонный автоматизированный спектрометр с оптоволоконным входом;
- цифровая регистрация изображений;
- специализированное программное обеспечение цифровой обработки изображений и спектров
Общие характеристики аппаратуры
Рабочий спектральный
200-1100
диапазон, нм
1-ый канал – УФ-камера с усилителем яркости
Область чувствительности, нм
200-360
Число каналов регистрации
3
Сменные фильтры, полуширина, нм
2606; 2927,5;
3106; 3377,5
Напряжение питания, В
=28
Максимальное и мгновенное поле
зрения, град.
11; 1,410-2
< 56
Чувствительность, Вт/см2/счет
210-18
не менее 1000
0,580,200,23
 10
Временное разрешение, с
0,04
Суммарная потребляемая
мощность, Вт
Ресурс работы, час
Габариты, м
Масса, кг
2-ой канал – ВИД-камера (ВЧРИ)
Эффективный диаметр и фокусное
55; 78
расстояние, мм
3-ий канал - Спектрометр с оптоволоконной
оптикой (СП)
Область чувствительности, нм
390-900
Область чувствительности, нм
200-1100
Сменные фильтры,
полуширина, нм
3917,5; 4325;
5585; 6305;
67010; 7616
Спектральное разрешение, нм
2,5
Поле зрения, град
2 и 0,2
Общее поле зрения, град
30
Число элементов
1024
Регистрация
цифровая
Кадров/с
25
Чувствительность,
счеты/с/Вт/м2/нм
Динамический диапазон
1,5 1017
5 104
Аппаратура «Фиалка-МВ-Космос»,
установленная в сборе на
иллюминаторе № 9 РС МКС
ЦНИИМАШ
TSNIIMASH
Направления исследований в КЭ «Релаксация» на РС МКС
Верхняя
атмосфера
Н = 90  450 км
Исследование
излучения глобальных областей
взаимодействия
выхлопов ДУ с
атмосферой
(Н = 90  450 км)
горизонт
Исследование
излучения СВА
МКС при работе
бортовых
двигателей
зенит
РС МКС
надир
Исследование
радионагрева
ионосферы
Земли Н~200км
Измерение УФизлучения
выхлопа ДУ РБ
на ГСО
Н = 36500 км
Космос
Земля
Измерение УФ-эмиссии лимба
Земли на Н = 80  120 км и
поглощения в полосах озона на Н =
15  60 км и грозовых образований
в верхней атмосфере Земли
горизонт
Верхняя
атмосфера
Н = 25  130 км
Измерение УФ-излучения
плазменного образования
при входе СА в атмосферу
(Н = 35  110 км)
Гиперспектральный
мониторинг ДЗЗиА в
УФ, видимой и ближней
ИК-областях спектра
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА АТМОСФЕРЫ ЕСТЕСТВЕННОГО И АНТРОПОГЕННОГО ХАРАКТЕРА
FUNDAMENTAL ATMOSPHERIC PROPERTIES
Эксперименты на МКС по верификации моделей
нейтральной верхней атмосферы Земли и ее малых
компонент (О, О3) по данным измерений пространственновременной структуры ультрафиолетового лимба Земли
Цель
эксперимента:
геофизические
исследования
пространственно временной структуры сверхслабых УФэмиссий и полос оптического поглощения естественного и
техногенного происхождения в верхней атмосфере Земли
Гиперспектральный мониторинг системы
“атмосфера-Земля”
Цель эксперимента: определение гиперспектрального
альбедо системы “атмосфера-Земля” путем измерения
спектральной яркости подстилающей поверхности по
трассе полета КА.
0
Угол Солнца: 30,2
400
0,15
-6
2
4,0x10
-6
0,10
3,0x10
-6
2,0x10
0,05
-6
1,0x10
0,0
300
400
500
600
Длина волны, нм
700
0,00
800
Угол Солнца: 38,3
0
-5
1,6x10
0
0
75,75 з.д.; 11,37 ю.ш.
0
0
Азимут Солнца: 109,5
0,4
0
L=40.9 , B=-10.1 , tGMT- 20:15:04
11
6x10
00
эксперимент
MSIS90
11
5x10
NO, см
2
4x10
11
3x10
11
2x10
11
1x10
0
-5
0,3
-6
0,2
-6
0,1
1,2x10
2
-3
11
90
100
110
120
Н, км
8,0x10
4,0x10
0,0
300
400
500
600
Длина волны, нм
700
Коэффициент отражения
1
0,20
-6
Яркость, Вт/(см ср нм)
200
4
3
Азимут Солнца: 113,8
5,0x10
Яркость, Вт/(см ср нм)
6
1
L=40.9, B=-10.1
0
0
Коэффициент отражения
5
8
7
14
13
12
11
10
9
0
81,29 з.д., 3,74 ю.ш.
-6
6,0x10
0,0
800
-200
Результаты:
- Проведены систематические измерения с борта МКС УФ-яркости ночных эмиссий
и определены на их основе профили концентрации атомов кислорода в
различных гелтогеофизических условиях при изменении активности Солнца F10.7
от 260 до 70..
- Установлено, что расчеты профилей О по типовой модели MSIS-90 могут
значительно (до 2 раз) отличаться от измеренных в диапазоне высот от 85 до 100
км. Кроме того модельные данные не отражают такие наблюдаемые особенности
высотного распределения концентрации О, как наличие двух максимумов
(бифуркация)
Результаты: Проведен гиперспектральный мониторинг системы
атмосфера-поверхность Земли по трассе полета МКС в диапазоне длин
волн от 300 до 800 нм с разрешением по спектру 1,3 нм в 380
спектральных интервалах. В экспериментах получены изображения
подстилающей поверхности, измерена спектральная яркость, а также
проведена
обработка
полученных
результатов
и
определено
спектральное
альбедо
по
трассе
полета
МКС.
Результаты
гиперспектрального
зондирования
с
высоким
спектральным
разрешением (~1,5 нм), полученные в космических экспериментах,
являются базой для развития нового направления в России
дистанционного зондирования Земли из космоса
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА АТМОСФЕРЫ
ЕСТЕСТВЕННОГО И АНТРОПОГЕННОГО ХАРАКТЕРА
ЦНИИМАШ
TSNIIMASH
Исследование из космоса трансформации верхней
атмосферы и ионосферы Земли при воздействии
мощного радиоизлучения нагревных стендов
Наблюдения грозовых образований в верхней атмосфере
Земли в УФ-области спектра с борта МКС
Цель эксперимента: разработка технологии дистанционного
наблюдения
воздействия
мощного
низкочастотного
радионагревного излучения на ионосферу и атмосферу Земли с
борта МКС оптическими методами
Цель эксперимента: исследование явлений, связанных с
электродинамическими
процессами
глобального
масштаба,
возникающего на высотах 30 – 90 км и выше
Наблюдение в УФ-области спектра с борта МКС
Наблюдение глобальных оптических явлений в северных
широтах при работе радионагревного стенда
0
510-10
110-9
1,510-9
210-9
2,510-9
Вт/(см2ср)
Проекция траектории МКС
Поверхность
Земли
на горизонте
64
КАРПОГОР
Северная широта, град
Свечение атмосферы над
«Сурой» при радионагреве
L=19,7ºв.д.
В=5,3ºю.ш.
D  70км
Поле зрения видеокамеры
азимут «-2», (18:47:23)
60
Лимб Земли,
Н = 90 км
Дрейф на
восток,
Vd  5 км/с
«Сура» L ~ 780 км
t = 21:48:37
Поверхность Свечение атмосферы над «Сурой»
Земли
при радионагреве, Н~170 км
на горизонте
СУРА
56
30 км
18:46:47,28
:47,32
:47,36
:47,4
:47,44
:47,48
GMT
Лимб Земли,
Н = 90 км
52
t = 21:48:57
4-е включение
Поверхность
Земли
на горизонте
5-е включение
«Сура» L = 860 км
Лимб Земли,
Н = 90 км
48
38
42
46
50
54
58
Релаксация свечения атмосферы
после выключения радионагрева
Восточная долгота, град
t = 21:49:57
«Сура» L ~ 1186 км
Результаты: Разработана технология дистанционного оптического наблюдения
воздействия мощного радионагревного излучения на ионосферу и атмосферу
Земли с борта МКС с помощью спектрозональной системы «Фиалка-МВКосмос». При воздействии низкочастотного радиоизлучения впервые
обнаружено и исследовано глобальное свечение верхней атмосферы Земли.
Определены
пространственно-временные
характеристики
глобальных
областей свечения плазмы, имеющие продольный размер ~ 100 км и
поперечный ~15 км.
18:46:47,52
:47,56
:47,6
:47,64
:47,68
:47,72
GMT
Результаты: впервые исследованы в УФ-диапазоне спектра
пространственно-временные
и
энергетические
характеристики
глобальных грозовых явлений в верхней атмосфере Земли. и получены
новые ранее неизвестные данные о природе процессов их возникновения
и развития
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С АТМОСФЕРОЙ
THE STUDY OF SPACE OBJECTS INTERACTION WITH THE ATMOSPHERE
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РЕЛАКСАЦИИ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ ПРИ
ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ВЫХЛОПАМИ ДВИГАТЕЛЬНЫХ
УСТАНОВОК КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УФ ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОПЛАЗМЕННЫХ
ОБРАЗОВАНИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПРИ ВХОДЕ В АТМОСФЕРУ ЗЕМЛИ
РЕЗУЛЬТАТЫ
• Проведены измерения интенсивности и
пространственно-временных
характеристик УФ свечения в области
активного взаимодействия выхлопов ДУ с
верхней атмосферой Земли.
• Определены фундаментальные константы
процессов гиперскоростного
взаимодействия атомов кислорода с
компонентами выхлопов ДУ.
• Разработана модель высокоскоростного
взаимодействия и проведена ее
верификация в КЭ с КА «Прогресс» и
«Союз».
ЦЕЛЬ КЭ:
Исследование физикохимических и
радиационных процессов
при гиперскоростных
столкновениях
молекулярных потоков с
атмосферным кислородом
и развитие моделей
взаимодействия выхлопов
двигательных установок с
верхней атмосферой Земли
Развитие глобального свечения ионосферы при воздействии на нее
молекулярного потока выхлопов двигательной установки ТГК «Прогресс»
Нестационарная фаза
взаимодействия с атмосферой
Стационарная фаза
взаимодействия с атмосферой
Н=390 км
0.1 сек
0.6 сек
1.5 сек
5.6 сек
10.4 сек
ВРЕМЯ ПОСЛЕ ВКЛЮЧЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ТРАНСПОРТНОГО
КОРАБЛЯ «ПРОГРЕСС»
6
4
t = 5,6 c
1
2
отн.ед.
3
3
2
2
1
1
Бытовой отсек
Приборноагрегатный отсек
Спускаемый аппарат
0
фрагментация в атмосфере
Н = 89км,
V= 7,60 км/с
2 .0
2 .5
3 .0
3 .5
4 .0
2. 5
3 .0
3 .5
4 .0
4 .5
5 .0
5 .5
6 .0
6 .5
a, град.
tДМВ = 3:49:27
Н = 64 км
L=28,9 км
L
L
tДМВ = 3:49:48
Н = 54 км
L=5,1 км
L
-6
8,0x10
-7
6,0x10
-7
4,0x10
-7
2,0x10
-7
полоса NH
полоса ОH
Спектральная плотность яркости излучения струи ДПО
ТКГ «Прогресс» в ультрафиолетовой области спектра при
наблюдении вдоль оси струи на фоне космоса на высоте
Н=333 км. Спектр состоит из полос ОН и NH. Двигатель:
топливо НДМГ+ N2O4, тяга F = 115 кГ, расход 0,4 кг/с.
ЦЕЛЬ ЭКСПЕРИМЕНТОВ: исследование динамики релаксации СВА МКС при
взаимодействии выхлопов бортовых двигательных установок с верхней
атмосферой Земли
L=18,6км
tДМВ = 3:49:37
Н = 59 км
L=14,7 км
-6
1,0x10
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РЕЛАКСАЦИИ СОБСТВЕННОЙ АТМОСФЕРЫ МКС
Завершающая стадия фрагментации
tДМВ = 3:49:13
Н = 67 км
L=21,0 км
7.0
Сравнение в различные моменты времени теоретических и экспериментальных
профилей по углу a яркости выхлопа ДУ с использованием сечения eff = 9,1∙10-16см2.
1 - расчет без конденсации Н2О; 2 - расчет с конденсацией Н2О; 3 - эксперимент.
СА
СА
-6
1,2x10
Видеоизображение входа и фрагментации КА «Жюль Верн»
Н = 68 км,
V= 7,49км/с
Отсеки
ТК
ТК
ТК
1 .5
a , град.
Глобальные УФ – изображения плазменных образований при спуске и
фрагментации КА
Вход ТК «Союз ТМА» и его
Н = 107 км,
V= 7,58 км/с
0
1 .0
1,4x10
0,0
290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400
, нм
2
3
3
4
отн.ед.
t = 0,6 c
1
5
2
Транспортный корабль «Союз»
Яркость, Вт/м ср нм
ЦЕЛЬ КЭ
РЕЗУЛЬТАТЫ
Получение уникальных натурных • Выполнено 6 реализаций КЭ в экспедициях
экспериментальных данных в УФМКС 10-14 и 17
диапазоне
спектра
по
радиометрические
и
пространственной
структуре
и • Проведены
интенсивности
излучения
пространственно-временные измерения УФплазменных образований КА и
излучения плазменных образований при
фрагментов блоков ТК при входе в
входе спускаемых аппаратов СА «Союз ТМА –
атмосферу Земли с гиперзвуковыми
4, 6, 7, 8» и отстыкованных блоков ТК в
скоростями с целью проведение
верификации термохимических и
атмосферу Земли, а также европейского
радиационных
моделей
грузового корабля ATV «Жюль Верн»
высокотемпературного воздуха по
термохимическая
и
траектории
спуска • Разработаны
радиационная
модели
адекватные
разрабатываемых и перспективных
КА на высотах от 110 до 30 км, а
результатам
проведенных
также моделирование фрагментации
экспериментальных исследований
космического
мусора
и
Транспортный грузовой корабль ATV «Жюль Верн»
естественных
космических
тел
(боллидов, метеоров и др.)
L
Временная зависимость яркости излучения СВА МКС в
экспериментах 11.10.2005 г.
РЕЗУЛЬТАТЫ
• Установлено, что при работе
бортовых двигательных установок (ДУ)
наблюдается яркое УФ свечение
собственной атмосферы МКС в
молекулярных полосах OH.
• Разработана модель свечения
собственной внешней атмосферы (СВА)
МКС, связанного с накоплением в ней
паров воды при работе ДУ и
воздействием на СВА факторов
космического пространства.
Заключение
Conclusion
В серии более, чем из 150 космических экспериментов ГФИ-1
«Релаксация», выполненных на борту МКС в 2002 – 2015 гг., показана
высокая эффективность использования УФ-диапазона спектра для
мониторинга геофизической обстановки в атмосфере Земли и
околоземном космическом пространстве; получены новые, ранее не
известные, данные по глобальным естественным и антропогенным
явлениям в атмосфере и ионосфере Земли.
• Разработаны базовые принципы УФ-мониторинга геофизической
обстановки, в основе которых лежит использование цифровой
регистрации сверхслабых полей яркости и спектров излучения
верхней атмосферы Земли и ОКП с помощью аппаратуры высокой
чувствительности,
реализованной
в
виде
спектрозональной
оптической системы «Фиалка-МВ-Космос» на основе новейших
оптико-электронных технологий.
• Результаты аппаратурных разработок и космических экспериментов
«Релаксация» используются при разработке перспективной бортовой
аппаратуры нового поколения.
•
Список публикаций
List of publications
1. Анфимов Н.А., Землянский Б.А., Карабаджак Г.Ф., Пластинин Ю.А. Исследования на МКС
атмосферы и ионосферы Земли // Полет, 2007, № 12, с.3-10
2. Криволапова О.Ю., Манжелей А.И., Медведева А.И, Пластинин Ю.А., Хмелинин Б.А. Определение
оптических характеристик входа в атмосферу Земли спускаемого аппарата при наблюдении с борта
Международной станции. // Космонавтика и ракетостроение. 2013. Вып. 4(73). С. 148-153.
3. Карабаджак Г.Ф., Калери А.Ю., Ковалев В.И., Комраков Г.П., Кузнецов В.Д., Пластинин Ю.А., Ружин
Ю.Я., Фролов В.Л., Хмелинин Б.А. Наблюдения глобальных оптико-физических явлений в верхних
слоях атмосферы Земли при воздействии на них мощного радиоизлучения нагревного стенда. //
Космонавтика и ракетостроение. 2011. Вып. 2(63). С. 111-118.
4. Медведева А.И., Пластинин Ю.А., Сженов Е.Ю., Сипачев Г.Ф. Исследования из космоса грозовых
образований в верхних слоях атмосферы Земли. // Космонавтика и ракетостроение. 2011. Вып.
2(63). С. 126-132.
5. Пахомов Д.А., Прохоров С.Ю., Ризванов А.А., Саушкин А.М., Струля И.Л. Методы и средства
гиперспектральных метеорологических наблюдений с борта космических аппаратов. // Космонавтика
и ракетостроение. 2011. Вып. 2(63). С. 133-144.
6. Карабаджак Г.Ф., Пластинин Ю.А. Научно-прикладные исследования на борту Международной
космической станции // Космонавтика и ракетостроение. 2010. Вып. 4(61). С. 125-132.
7. Кусов А.Л., Пахомов Д.А., Пластинин Ю.А., Прохоров С.Ю., Ризванов А.А., Саушкин А.М., Хмелинин
Б.А. Исследования оптических спектральных характеристик облачных образований различного
класса по результатам измерений вдоль трассы полета Международной космической станции. //
Космонавтика и ракетостроение. 2010. Вып. 2(59). С. 156-165.
8. Карабаджак Г.Ф., Красотки В.С., Манжелей А.И., Пластинин Ю.А., Хмелинин Б.А. Наблюдение входа
в атмосферу Земли грузового космического аппарата ATV спектрозональной системой «Фиалка-МВКосмос» с борта Международной космической станции. // Космонавтика и ракетостроение. 2010.
Вып. 2(59). С. 171-178.
Список публикаций (продолжение)
List of publications
9. Карабаджак Г.Ф., Комраков Г.П., Кузнецов В.Д., Пластинин Ю.А., Ружин Ю.Я., Фролов В.Л., Хмелинин Б.А.
Исследование глобальных пространственно-временных характеристик свечения верхних слоев атмосферы
и ионосферы Земли в случае воздействия на них радиоизлучения при наблюдении с борта Международной
космической станции. // Космонавтика и ракетостроение. 2009. Вып. 4(57). С. 88-94.
10.Землянский Б.А., Карабаджак Г.Ф., Пластинин Ю.А. Исследование пространственной структуры плазменных
образований и интенсивности их излучения в ультрафиолетовой области спектра при входе спускаемого
аппарата в атмосферу и фрагментации функциональных блоков транспортного корабля «Союз ТМА». //
Космонавтика и ракетостроение. 2008. Вып. 1(50). С. 11-16.
11.Карабаджак Г.Ф., Пластинин Ю.А., Родионов А.В., Сженов Е.Ю., Сипачев Г.Ф., Хмелинин Б.А.
Спектрозональные исследования сверхслабых эмиссий естественного и техногенного происхождения в
верхних слоях атмосферы и ионосферы Земли. // Космонавтика и ракетостроение. 2007. Вып. 4(49). С. 2632.
12.Землянский Б.А., Карабаджак Г.Ф., Пластинин Ю.А. Космические эксперименты «Релаксация»: научные
задачи, аппаратура и результаты исследований на борту Российского сегмента Международной космической
станции // Космонавтика и ракетостроение. 2007. Вып. 4(49). С. 33-40.
13.Карабаджак Г.Ф., Пластинин Ю.А., Сженов Е.Ю., Хмелинин Б.А. Определение профилей концентраций
атомов кислорода в верхних слоях атмосферы Земли по экспериментальным данным с пилотируемых
космических станций. // Космонавтика и ракетостроение. 2007. Вып. 1(46). С. 38-43.
14.Власов В.И., Горшков Б.А., Залогин Г.Н., Землянский Б.А., Карабаджак Г.Ф., Пластинин Ю.А., Хмелинин Б.А.
Верификация термохимических и радиационных моделей высокотемпературного воздуха по результатам
наблюдения ультрафиолетового излучения около спускаемого аппарата «Союз ТМА». // Космонавтика и
ракетостроение. 2006. Вып. 3(44). С. 116-124.
15.Анфимов Н.А., Карабаджак Г.Ф., Пластинин Ю.А. Исследование характеристик взаимодействия продуктов
выхлопа жидкостных реактивных двигателей с верхними слоями атмосферы Земли в серии космических
экспериментов «Релаксация» с борта орбитальной станции «Мир». // Космонавтика и ракетостроение. 2001.
Вып. 23.С. 49-66.
16.Пластинин Ю.А., Карабаджак Г.Ф., Власов В.И., Горшков А.Б., Залогин Г.Н. Измерение и анализ
интенсивности УФ излучения плазменного образования по траектории спуска с орбиты СА «Союз-ТМА» по
данным наблюдений с борта МКС» // Физико-химическая кинетика в газовой динамике.
www.chemphys.edu.ru/pdf/2006-08-14-001.pdf.