Приложение 1 к ТЗ на КЭ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ (НТО) КЭ «МОДИФИКАЦИЯ

Приложение 1 к ТЗ на КЭ
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ (НТО) КЭ «МОДИФИКАЦИЯ
ИОНОСФЕРЫ ИМПУЛЬСНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ПЛАЗМЫ»
Шифр: «Импульс (2 этап)»
1. Сущность исследуемой проблемы.
Сущность исследуемой проблемы состоит в определении физических
параметров, вызывающих волновую реакцию ионосферы на инжекцию
импульсных плазменных образований с борта МКС, а также в определении
антенных свойств плазменных струй и изучении проблем электромагнитной
совместимости инжекторов плазмы с КА. Взаимодействие потоков заряженных
частиц и плазменных образований, инжектируемых с борта летательного
аппарата с ионосферной и фоновой плазмой в геомагнитном поле приводит к
ряду физических явлений, исследование которых необходимо для понимания
физики солнечно-земных связей, волновой резонансной реакции ионосферы и
определения безопасных уровней и норм техногенного воздействия на ближний
космос.
2. Краткая история и состояние вопроса в настоящее время.
2.1 Искусственное возбуждение ОНЧ электромагнитных волн в ионосфере
при высоком уровне мощности плазменных источников открывает новые
дополнительные возможности диагностики околоземной плазмы, управляемого
использования НЧ-излучений, направленного детерминированного воздействия
на окружающую среду. Важной научной и прикладной проблемой эффективного
возбуждения ОНЧ волн в ионосфере посвящено большое число работ,
выполненных различными исследовательскими центрами и научными
коллективами в России и за рубежом. Однако, до настоящего времени не
созданы эффективные ионосферные возбудители НЧ волн. Существующие и
используемые системы имеют малые геометрические размеры, а соответственно
и крайне низкую эффективность, при этом большая часть возбуждающей
мощности уходит в квазиэлектростатические волны, которые сильно затухают в
ионосферной плазме. Использование же более эффективных протяженных
тросовых систем сопряжено со значительными техническими трудностями,
связанными с развертыванием и устойчивостью таких систем в космическом
пространстве. Использование самосогласованных излучающих протяженных
плазменных образований (структур) представляется весьма перспективным. Как
показали прямые ионосферные эксперименты, проведенные ИЗМИРАН, ИКИ,
МАИ, РКК "Энергия" и др. организациями, возможно формирование
искусственных плазменных неоднородностей в виде протяженных каналов,
ориентированных вдоль геомагнитного поля. Концентрация плазмы внутри
канала и энергия заряженных частиц существенно превосходит фоновые
ионосферные значения, а потоки заряженных частиц из области инжекции
создают протяженные (до нескольких десятков километров) токовые структуры,
которые могут быть эффективны в плане генерации ОНЧ полей.
2.2 В течение последних 15-20 лет в МАИ и НИИПМЭ МАИ
разработаны и испытаны на метеоракетах, ИСЗ и ОС "Мир" различные типы
импульсных плазменных инжекторов с энергией в импульсе менее 1 кДж. В
результате проведенных активных экспериментов получены предварительные
данные по влиянию импульсной плазменной инжекции с заданными параметрами
на высыпание энергичных частиц из радиационных поясов, эффективности
искусственного возбуждения и распространения ЭМВ в крайне и
сверхнизкочастотном диапазонах, оценена эволюция ИПО в некоторых заданных
областях ионосферы.
2.3. Дипольное возбуждение альвеновских волн.
Основное внимание в предложенном КЭ будет сосредоточено на
свистовом Ω H < ω<ωн< ω р и альвеновском (ω<ΩH) диапазонах частот (ΩH гирочастота ионов, ωн, ω р, - соответственно гиро и плазменная частоты
электронов), представляющих значительные практический и научный
интерес.
Выполненный анализ показывает, что одним из наиболее
эффективных способов возбуждения альвеновской волны в ионосфере
Земли является дипольное возбуждение. Конкретные расчеты показывают,
что при возбуждении альвеновской волны в ионосфере Земли дипольным
источником, момент которого ориентирован перпендикулярно магнитному
полю и отличен от нуля в малом интервале значений времени, главный
вклад в возбуждаемое поле дают частоты альвеновского диапазона и это
поле Е принимает максимальное значение на оси магнитной силовой
трубки, опирающейся на источник.
Еаmах = -1/па-2π/с j0 .х0 ≈ Iinjmax / π0
(1)
где Еаmах - максимальное поле альвеновской волны, na = C/Va (Va - скорость
альвеновской волны);
Iinjmax - максимальный ток в импульсе при инжекции;
а - характерный поперечный размер излучателя.
Существенным моментом расчета поля на Земной поверхности
является аккуратный учет отражений альвеновской волны от гиротронного
проводящего слоя нижней иоcносферы, а также влияние естественных
альвеновских резонаторов. Для альвеновской волны ω/2π < 30 Гц
проводящий
слой
можно
считать
тонким,
характеризующимся
педерсеновской (εр) и холловской (ε н) проводимостями. Поле альвеновской
волны возбуждает в нижней ионосфере педерсеновские и холловские токи,
которые создают на поверхности Земли магнитостатическое поле.
2
Наличие ионосферного альвеновского резонатора (ИАР) приводит к
увеличению магнитного поля альвеновской волны. Это увеличение
характеризуется фактором А иар, максимальное значение которого в
диапазоне частот ИАР (ω/2π ≈ 1...3 Гц)
Аиар = (εр+εw)/εр
(2)
где εw = сnа/4π.
Оценка максимального магнитного поля волны Н с учетом ИАР на
поверхности Земли.
Нmax ≈ 2πа2j/ch2 (уо + εН /εр-х0) ≈ 2 Iinjmax а/ ch2 (у0 + εн/ε Р -х0),
(3)
где h - высота промежутка Земля - ионосфера, при h = 100 км, Iinjmax = 104 А,
εн /εР = 3 и а ≈ 10 м ( минимальный размер плазменного образования).
|Нmax| =6,5 10–5А/М
Оценки проведены для импульсного плазменного инжектора с
энергией 5 кДж. Полученные величины заметно больше нижней границы
значений магнитных полей, которые могут быть зарегистрированы
современными измерительными средствами в СНЧ диапазоне.
3. Необходимость проведения
пространства в составе PC МКС.
КЭ
в
условиях
космического
В составе PC МКС предполагается провести эксперименты с
импульсным плазменным инжектором повышенной энергии (W = 5 кДж, τ =
(2...3) 102 мкс, Римп = 2 107 Вт, полное число заряженных частиц в сгустке
N = 1020).
Космический эксперимент с указанным ускорителем требует участия
экипажа МКС при монтаже ускорителя на рабочем месте. Участие экипажа в
управлении работой инжектора не требуется.
4. Описание КЭ.
Поскольку для экспериментов используется кратковременная импульсная
инжекция, то в процессе измерений, как наземных, так и бортовых, основной
упор делается на исследование резонансной реакции ионосферы, связанной с
магнитосиловыми трубками. Длительность такой реакции на много порядков
превышает длительность импульса инжектора и может быть зафиксирована
существующими приборами и методами обработки полезных сигналов. Для
достоверности информации необходимо иметь многократную инжекцию, что
позволяет получить статистически значимые результаты, которые должны
коррелировать с результатами, полученными как на Земле, так и в Космосе от
различных измерительных объектов (МКС, спутник "Компас").
Проведение сеансов КЭ требует выполнения следующих условий:
- различной ориентации КА по отношению к вектору индукции
геомагнитного поля при плазменной инжекции;
3
- проведение сеансов КЭ над зонами НИПов, в зоне магнитных аномалий
и во время суббурь;
- проведение сеансов КЭ в дневное и ночное время.
5. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными
отечественными и зарубежными исследованиями
Исследования ионосферы с помощью импульсных плазменных
инжекторов повышенной энергии весьма актуальны в плане решения как
фундаментальных, так и прикладных задач освоения околоземного космического
пространства, поскольку позволяют оценить последствия техногенной нагрузки
на окружающую среду, определять связи ионосферы, магнитосферы и
атмосферы,
решать
коммуникационные
и
технологические
задачи.
Детерминированность
начальных
параметров
плазмы,
длительность
существования высокоэнергичных плазменных образований и их эволюции во
времени позволяют получать информацию об особенностях волновых спектров,
условиях их возбуждения существования и распространения по трассе
ионосфера-атмосфера-Земля.
Модификация среды с помощью ИПИ дает возможность моделировать и
прогнозировать различные ситуации, связанные с искусственными и
естественными процессами в ближней и дальней зонах станции с большей, чем
ранее, вероятностью.
Указанный ускоритель с повышенной энергией плазменных образований
позволяет интенсифицировать процессы резонансной реакции ионосферы и
получать существенно большие уровни полезных сигналов, что приводит к
увеличению достоверности получаемой информации о волновых процессах,
эволюции плазменных образований в ионосфере, модификации параметров
среды, скорости обработки вносимых возмущений в ионосферу и т.д.
Эксперименты с импульсными плазменными инжекторами с энергией - 5 кДж
являются уникальными, поскольку не имеют аналогов в мировой практике и
вряд ли возможны за рубежом в ближайшие годы.
6. Ожидаемые научные и технические результаты, их предполагаемое
использование
В результате КЭ будет проведено:
а) исследование электродинамических эффектов при инжекции
интенсивного плазменного потока в ионосферную плазму: определение
транспортных свойств ионосферной плазмы;
б) определение условий возникновения, развития и распространения
колебаний, определение их характеристик в диапазонах КНЧ (1...30 гц), СНЧ
(30...3000 Гц) и ОНЧ (3...30 кГц);
4
в) анализ эффективности генерации альвеновских и свистовых мод и
возможности формирования магнитосферных волноводов: измерения
напряженности электромагнитного поля (электрической и магнитной
составляющих) в диапазонах 1...30 Гц и 103 ...10 5 Гц при различных питч-углах
инжекции плазмы; исследование отраженных сигналов и характеристик
сигналов в магнитосопряженных точках; измерение высыпаний частиц,
связанных с возбуждением волн;
г) изучение управления зарядовым состоянием КА при инжекции плазмы;
д) решение вопросов электромагнитной совместимости инжекторов с
системами МКС и окружающей средой;
е) определение возможности моделирования отдельных параметров
техногенной нагрузки (воздействия) на ионосферу с помощью плазменных
инжекторов большой мощности;
ж) определение закономерностей эволюции импульсных плазменных
образований.
Результаты в части исследования волновых процессов и антенных свойств
плазменных потоков будут использованы для коммуникационных целей, при
построении связных систем с учетом эффектов в ионосфере и ее свойств.
Результаты в части исследования электромагнитной совместимости и
управления зарядовым состоянием будут использованы при рассмотрении
вопросов безопасности применения плазменных энергетических установок и
двигательных систем в составе КА.
Указанные результаты полезны также при решении экологических проблем
в части получения информации для выработки критериев и оценок предельной
техногенной нагрузки на окружающую среду, например, изменения
интенсивности высыпания высокоэнергичных частиц из радиационных поясов и
оценки последствия этих явлений.
7. Ожидаемый эффект от выполнения КЭ, методика его оценки
Эффект определяется полученными научными и техническими
результатами, а также получением новой информации о закономерностях
процессов.
Кроме этого, полученная информация может быть использована при
выработке научных и технических критериев техногенной нагрузки на
окружающую среду.
Научный руководитель КЭ, д.ф.-м. наук
От ИЗМИРАН
Ю.Я.Ружин
Научный руководитель МАИ
о
т
Г.Г.Шишкин
5