тезисы докладов - МГУ-250

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Научный исследовательский институт ядерной физики
им. Д.В. Скобельцына
Ульяновский государственный университет
ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ
Космос и образование – 2005
10-15 октября, 2005
Ульяновск, Россия
Ульяновск-2005
ББК 22.63 я431
K 71
Организационный комитет
Председатель: М.И.Панасюк, директор НИИЯФ МГУ
В.В. Радченко, зам. директора НИИЯФ МГУ
С.В. Булярский, проректор УлГУ
В.М. Журавлев, декан ФТФ УлГУ
И.В. Яшин (НИИЯФ МГУ)
Б.А. Хренов (НИИЯФ МГУ)
С.А. Красоткин (НИИЯФ МГУ)
Местный организационный комитет
В.М. Журавлев
Е.П. Савелова
Д.А. Корнилов
K 71 Космос и образование–2005: Тезисы докладов школысеминара / Под ред. д.ф.-м.н., проф. В.М. Журавлев — Ульяновск:
УлГУ, 2005. - 44 с.
В сборник вошли тезисы докладов, представленных нашколе–семинаре “Космос
и образование–2005”, проходившей в г. Ульяновске с 10 по 15 октября 2005 года.
Организационный комитет выражает признательность ульяновским организациям и
фирмам, оказавшим поддержку в подготовке и проведении семинара:
1. ЗАО “Ульяновскоблрембыттехника”
2. Ульяновский филиал Россельхозбанка
3. Ульяновская торгово-промышленная палата
c
Ульяновский
государственный университет, 2005.
Рабочие доклады
1. Современные проблемы астрофизики высоких энергий
Свертилов С.И.
2. Экспериментальные методы исследования космической радиации
Свертилов С.И.
3. Солнечная активность
Красоткин С.А.
4. Солнечный ветер в гелиосфере
Красоткин С.А.
5. База научной и образовательной информации СМКА “УНИВЕРСИТЕТСКИЙ” и инструменты анализа
Лихачев С.П.
6. Солнечные космические лучи
Мягкова И.Н.
7. Задачи космических исследований
Мягкова И.Н.
8. Гелиобиология
Сигаева Е.А.
9. Солнечно-Земные связи
Лазутин Л.Л.
10. Магнитосфера, радиационные пояса Земли и геомагнитные бури
Лазутин Л.Л.
11. Научная аппаратура СМК “Университетский”
Яшин Е.А.
12. Вариации плотности атмосферы на орбите спутника.
Журавлев В.М.
13. Основы современной космической радиофизики.
Шахпаронов В.М.
3
14. Ультрофиолетовое излучение в космосе и его измерения.
Гарипов Г.К.
15. Ультрофиолетовое излучение ночной атмосферы Земли.
Гарипов Г.К.
Современные проблемы астрофизики высоких энергий
Свертилов С.И.
НИИЯФ МГУ,
Москва, Россия
e-mail: sis@coronas.ru
Рассматриваются актуальные проблемы современной наблюдательной
рентгеновской и гамма-астрономии, физики космических лучей. Дается представление об основных механизмах генерации рентгеновских и гамма-квантов
в источниках, ускорении космических лучей, а также методах их регистрации. Проанализированы физические процессы и характеристики основных астрофизических явлений и объектов, наблюдаемых в рентгеновском и
гамма-диапазонах, в том числе: тесные двойные системы, пульсары, магнетары, кандидаты в черные дыры, активные ядра галактик, диффузное галактичекое и метагалактическое излучение, космические гамма-всплески. Анализируются также некоторые фундаментальные проблемы, относящиеся к
астрофизике высоких энергий, включая вопросы космологии, экстремальные
состояния материи и пространственно-временные сингулярности, нелинейные эффекты в сверхсильных электромагнитных и гравитационных полях,
динамические процессы в окрестностях компактных сильно гравитирующих
объектов (аккреционные диски, джеты), ускорительные процессы и связь
взаимодействий космических лучей в Галактике с генерацией космического
гамма-излучения (галактический фон, гамма-линии).
Экспериментальные методы исследования
космической радиации
Свертилов С.И.
НИИЯФ МГУ,
Москва, Россия
e-mail: sis@coronas.ru
Рассматриваются экспериментальные методы регистрации проиникающих
излучений на космических аппаратах. В том числе:
• особенности экспериментов и физических измерений на космических аппаратах;
• основные характеристики проникающих излучений в околоземном и
межпланетном пространстве;
• особенности применений детекторов заряженных частиц, нейтронов и
гамма-квантов в космических экспериментах;
• методы регистрации заряженных частиц малых энергий;
• методы измерений потоков и спектров проникающих заряженных частиц.
• особенности детектирования рентгеновского и гамма-излучения, а также
нейтронов;
• измерительная аппаратура завершенных и действующих космических
миссий, планируемые эксперименты.
Солнечная активность
Красоткин С.А.
НИИЯФ МГУ,
Москва, Россия
e-mail: sergekras@rambler.ru
Жизнь Солнца во многом определяет нашу жизнь на Земле. Солнечные
пятна и активные области с происходящими в них вспышками, фотосферные факелы и флоккулы, корональные протуберанцы и волокна, конденсации, транзиенты, спорадическое радиоизлучение, увеличение ультрафиолетового, рентгеновского и корпускулярного излучения и др. - все это отдельные
проявления одного глобального процесса, затрагивающего практически все
слои Солнца. Совокупность этих явлений и называют солнечной активностью (СА).
Уровень СА принято характеризовать специальными индексами. Самым
известным из них являются числа Вольфа. Этот индекс очень удачно отражает вклад в СА не только от самих пятен, но и от всей активной области,
в основном занятой факелами. Несмотря на наличие длинных рядов наблюдений некоторых индексов СА, их анализ осложнен такими факторами, как
нестационарность, внутренняя неоднородность, нерегулярность определения,
наличие значительных ошибок. Поэтому многие свойства солнечной цикличности все еще недостаточно хорошо изучены и нуждаются в более детальном рассмотрении. Изучение цикличности вариаций глобальных индексов СА
имеет большое значение как для понимания структуры и динамики солнечной цикличности и солнечно земных связей в целом, так и для разработки
физических моделей.
Одной из важнейших проблем в этих исследованиях является выявление и
анализ закономерностей вариаций СА на различных временных масштабах.
Временная шкала таких вариаций заключена в очень широких пределах: от
нескольких секунд до сотен и тысяч лет. Изучение этих закономерностей позволяет подойти к важной проблеме прогнозирования СА и ее земных последствий.
Солнечный ветер в гелиосфере
Красоткин С.А.
НИИЯФ МГУ,
Москва, Россия
e-mail: sergekras@rambler.ru
Цель задачи - знакомство со структурой межпланетного магнитного поля,
гелиосферы, с распространением солнечного ветра и вспышечных выбросов
солнечного вещества, а также с методом восстановления данных о местоположении солнечной вспышки, вызвавшей геомагнитную бурю. Работа рассчитана на студентов, изучающих физику космоса, астрономию, естествознание.
Выполнение настоящей работы не требует специальных навыков и знаний.
База научной и образовательной информации СМКА
“УНИВЕРСИТЕТСКИЙ” и инструменты анализа
Лихачев С.П.
НИИЯФ МГУ,
Москва, Россия
e-mail: serglikhachev@gmail.ru
В рамках мероприятий по празднованию 250-летнего юбилея Московского университета МГУ им. М.В. Ломоносова реализует космический научнообразовательный проект "МГУ-250". В январе 2005 г. был запущен сверхмалый космический аппарат "Университетский". Данные, получаемые с этого аппарата, представлены в свободном доступе через Интернет по адресу:
http:\\wrcosmos.msu.ru.
В докладе представлен обзор имеющихся данных. Представлены базовые
сведения о программных пакетах, специально разработанных для работы с
космофизической информацией. Обсуждается первый опыт применения в
учебном процессе как этих, так и неспециализированных программных пакетов при проведении практикума по работе с космической информацией.
Солнечные космические лучи
Мягкова И.Н.
НИИЯФ МГУ,
Москва, Россия
e-mail: irina@srd.sinp.msu.ru
Изучение солнечных космических лучей (СКЛ), наблюдающихся в гелиосфере после вспышек на Солнце, является актуальной научной проблемой,
поскольку это важно не только с точки зрения фундаментальной задачи ускорения частиц на Солнце и в гелиосфере, но и для решения прикладных задач. Это связано с тем, что СКЛ являются одним из важнейших факторов
"космической погоды", внося серьезные изменения в радиационную обстановку в околоземном космическом пространстве (ОКП). Поэтому получение
студентами навыков изучения СКЛ по данным спутниковых экспериментов
представляется нужным и важным. Целью данной задачи является ознакомление студентов с методикой исследования динамики потоков и спектров
СКЛ по данным различных искусственных спутников Земли (ИСЗ), а также проведения сравнительного анализа имеющихся данных. В процессе выполнения работы студенты должны ознакомиться с основными сведениями
о вариациях СКЛ, вспышечных механизмах ускорения заряженных частиц,
их распространении в межпланетном пространстве и влиянии СКЛ на околоземное космическое пространство. Задача выполняется на основе данных
ИСЗ “Университетский-Татьяна”, GOES и ACE, в дальнейшем планируется
использовать данные ИСЗ “КОРОНАС-Ф”. Так как в 2005 году, несмотря на
ожидаемый (согласно 11-летнему циклу) минимум солнечной активности, в
январе, мае и сентябре наблюдались мощные вспышки, информация, полученная с ИСЗ “Университетский-Татьяна”, выведенного на околоземную орбиту 20 января 2005 года представляет особый интерес. Упомянутые вспышки
привели к возрастанию потоков СКЛ в ОКП, что и было зарегистрировано
аппаратурой всех вышеперечисленных ИСЗ. Обработка и анализ данной информации представляет собой не только методический, но и научный интерес.
Данная задача может быть рекомендована студентам физических факультетов университетов и других ВУЗов (в рамках как общего, так и специального
ядерного практикума).
Задачи космических исследований
Мягкова И.Н.
НИИЯФ МГУ,
Москва, Россия
e-mail: irina@srd.sinp.msu.ru
Исследование космического пространства и происходящих в нем процессов
в настоящее время представляет собой сложный комплекс самых разных задач, как фундаментальных, так и прикладных. Одним из общепринятых способов классификации задач космических исследований является разделение
их исходя из предмета исследования. Такими предметами могут быть само
Солнце и процессы, происходящие на нем (вспышки, корональные выбросы масс), солнечный ветер, космические лучи (галактические и солнечные),
магнитосфера Земли (включая радиационные пояса Земли), солнечно-земные
связи, или, как еще принято говорить, “космическая погода”. Отдельно стоят
задачи, связанные с изучением ионосферы, а также планет солнечной системы.
С точки зрения использования данных ИСЗ “Университетский-Татьяна”
наибольший интерес представляют исследования солнечных космических лучей (СКЛ), в том числе и их проникновение в магнитосферу земли, вариаций
радиационных поясов Земли, а также солнечно-земных связей. Поскольку в
2005 году, несмотря на ожидаемый минимум солнечной активности, а Солнце
произошло несколько серий мощных вспышек, детальный анализ информации, полученный с ИСЗ “Университетский-Татьяна” (дата запуска околоземную орбиту 20 января 2005 года) особенно важен. Вспышки, произошедшие
вблизи минимума солнечной активности, представляют немалый интерес, и
любая экспериментальная информация о них является ценной с точки зрения
прогнозирования вспышек в периоды минимума и спада солнечной активности. Сопровождавшие упомянутые вспышки корональные выбросы массы
вызвали возмущения в магнитосфере Земли, которые, в свою очередь, стали причиной вариаций потоков частиц в радиационных поясах Земли (РПЗ).
Особый интерес для исследователей представляет вспышка 20.01.2005, которую отличает очень жесткий спектр как энергичного нейтрального излучения, так и заряженных частиц.
Гелиобиология
Сигаева Е.А.
НИИЯФ МГУ,
Москва, Россия
e-mail: belka@srd.sinp.msu.ru
Представлен обзор современных работ по проблемам гелиобиологии - части проблемы солнечно-земных связей или, точнее, космофизических корреляций земных процессов. Эта часть современной биофизики все более увлекает исследователей разных специальностей.
От древних наблюдений пятен на Солнце к Галилею, увидевшему эти пятна с помощью первого телескопа, от подмеченной В.Гершелем примерно 10
летней периодичности цен на пшеницу на мировом рынке, к установлению 11
летней периодичности солнечной активности и общему увлечению поисками
такой же периодичности в земных процессах, к резко скептическому отношению к самой возможности такой корреляции со стороны строгой науки.
Наибольшую трудность в исследовании космофизических корреляций
представляет очевидная нерегулярность многих космофизических процессов.
Ведь в действительности, когда говорят, например, об 11 летнем цикле солнечной активности, имеют в виду лишь среднюю величину этого периода,
в то время как отдельные циклы могут длится и 9, и 15 лет. В результате
совместного действия множества причин изменения состояния звезд могут
осуществляться во времени по очень сложным законам, они могут казаться
вполне хаотичными.
Научная аппаратура СМК “Университетский”
Яшин
И.В.
НИИЯФ МГУ,
Москва, Россия
e-mail: ivn@eas.sinp.msu.ru
Приведен состав и возможности бортовой аппаратуры микроспутника,
обеспечивающие функционирование научных приборов на орбите ИСЗ. Кратко изложена характеристика радиационной обстановки на орбите микроспутника. Рассмотрены типы детекторов, используемых для регистрации заряженных частиц в различных областях магнитосферы Земли. Приведены технические характеристики научной аппаратуры, установленной на борту микроспутника “Университетский - Татьяна”.
Назначение, организация и перспективы развития
интерактивной базы данных Космограф с комплектом
программ обработки
Журавлев В.М., Журавлев А.В.
Ульяновский государственный университет,
Ульяновск, Россия
e-mail: zhuravl@sv.ulsu.ru
Работа посвящена разработке интерактивной системе, включающей в себя базу данных для хранения, визуализации и первичной обработки данных
со спутников. По назначению база данных должна давать возможность конвертировать данные сеансов связи со спутниками с произвольным форматом кадра передачи данных в стандартный формат данных. Данные в стандартном формате дальше могут быть визуализированы в форме графиков
и или карт распределения в с их географической привязкой. Это позволяет обработать данные с помощью набора программ статистического анализа
или программами специальной обработки. В комплект программ визуализации входит отображение данных в форме карт с конкретной географической
привязкой точек орбиты, поставляемых вместе с раскодированными данными
сеансов связи. Обычно географическая привязка осуществляется с помощью
специальных программ моделирования динамики спутника на орбите с постоянной коррекцией этой орбиты на основе данных, поступающих от служб
слежения за спутниками, в частности службы NORAD (www.celestrak.com).
В системе Космограф предусмотрема собственная система визуализации положения спутника в проекции на географическую карту [1]. Кроме этого,
в системе предусматривается подсистема статистической обработки данных
и специализированной обработки. Программы специализированной обработки предполагается включать в систему последовательно реализуя требования различных пользователей. Система создается в среде Windows на основе
среды разработки Builder C++6. Это позволяет воспользоваться всеми возможностями, предоставляемыми дополнительными пакетами программ, поставляемыми в качестве компонент к Builder C++6. В дальнейшем систему
Космограф предполагается использовать как сопроводительный продукт для
космического практикума [2] по желанию пользователей.
[1] Справочное руководство по небесной механике и астродинамике. под.
ред. Дубошина, М.:Изд. Наука, 1971, 584 с.
[2] Космический практикум. Под. ред. Панасюка М.И. М.: Изд. МГУ, 2005.
179 C.
Об обнаружении кратковременных возмущений
верхней атмосферы Земли по данным о фокальном
параметре орбиты спутника
Журавлев В.М., Шляпин В.А.
Ульяновский государственный университет,
Ульяновск, Россия
e-mail: zhuravl@sv.ulsu.ru
В Космическом практикуме [1] реализована задача оценивания средней
плотности атмосферы на орбите спутника и ее изменчивости на основе данных о фокальном параметре орбиты спутника. Фокальный параметр орбиты
в работе вычисляется по данным NORAD (www.celestrak.com). Плотность
атмосферы оценивается на основе формулы:
√
m d p
.
ρ=− √
σ µ dt
(1)
Здесь ρ - плотность атмосферы на орбите спутника, p - фокальный параметр орбиты, m масса спутника, σ - его поперечное сечение, µ = M E G,
ME - масса Земли, G - гравитационная постоянная. Вычисление плотности
атмосферы требует согласно этой формуле вычисления скорости изменения
фокального параметра. Оценивание производных, как хорошо известно, сопряжено с существенными погрешностями. Поэтому для вычисления средней
плотности использовались два подхода. Это оценивание по участкам данных
√
наклона кривой p от времени с помощью метода наименьших квадратов
и конечных разностей по осреденным данным того же параметра. Однако
для выделения отдельных кратковременных изменений плотности во время
солнечных вспышек эти методы оказались слишком грубыми. В работе предложен метод выделения вспышечной активности с помощью сглаживающих
кубических сплайнов [2]. Показано, что при использовании такой процедуры
удается получить требуемое разрешение по времени.
[1] Космический практикум. Под. ред. Панасюка М.И. М.: Изд. МГУ, 2005.
179 C.
[2] Марчук. Введение в численные методы.
О взаимосвязи показаний датчиков заряженных
частиц Коронас-F и энергосодержание компонент
радиации на орбите
Журавлев В.М., Журавлев А.В., Фундаев С.В.
Ульяновский государственный университет,
Ульяновск, Россия
e-mail: zhuravl@sv.ulsu.ru
В работе на основе данных полученных со спутника Коронас-F от датчиков заряженных частиц за некоторый промежуток времени решалась задача о вычислении главных факторов, влияющих на изменчивость показаний
этих приборов. Анализ проводился с помощью метода главных нормальных
мод. Было выявлено, что в основную изменчивость всех приборов вносят
два главных фактора, которые объясняют 80% всей изменчивости. Причем
первый фактор дает основную изменчивость всех приборов, кроме MKL и
электронов энергией 0.6 МЭв. Последние два прибора дают отдельную моду
изменчивости. Эти установленные данные, полученные в условиях спокойной магнитосферы, могут быть использованы для итеркалибровки датчиков
в условиях повышенной солнечной активности. Работа предлагается после
доработки в качестве задачи практикума.
[1] Справочное руководство по небесной механике и астродинамике. под.
ред. Дубошина, М.:Изд. Наука, 1971, 584 с.
[2] Космический практикум. Под. ред. Панасюка М.И. М.: Изд. МГУ, 2005.
179 C.
Об предлагаемых изменениях в структуре базовых
дисциплин направления “Физика” в рамках
деятельности НОЦ
Журавлев В.М., Красоткин С.А.
УлГУ, НИИЯФ МГУ
Ульяновск,Москва, Россия
e-mail: zhuravl@sv.ulsu.ru
В докладе излагаются основные трудности изменения базовых дисциплин
для внедрения деятельности НОЦ по новым и возобновляемым источникам
энергии. Излагаются основные принципы внесения таких изменений. В частности, предлагается выделить часть специальных дисциплин в отдельный
блок, читаемый факультативно для тех студентов, которые участвуют в деятельности НОЦ. При этом оплату факультативных занятий проводить через
НОЦ. Часть же разделов можно включать в лекции, практикумы и семинарские занятия, перераспределяя часы, отводимые на изучение отдельных
разделов курсов и не нарушая общее число часов. Приведены примеры такого видоизмения курсов “Атомная и ядерная физика”, “Физика косомической
плазмы”, “Физика космических лучей”.
Долгопериодические возмущения параметров орбиты
спутника в следствие не сферичности Земли
Журавлев В.М., Фундаев С.В.
УлГУ,
Ульяновск„ Россия
e-mail: zhuravl@sv.ulsu.ru
В работе на основе данных NORAD (www.celestrak.com) исследуются долгопериодические возмущения кеплеровских параметров орбиты спутников.
На основе модели этих возмущений, полученных с помощью теории возмущений [1], проводится гармонический анализ аргумента перигея и средней
аномалии орбиты. На первом этапе из рядов измерений параметров орбиты
с помощью линейного метода наименьших квадратов вычитаются вековые
изменения соответствующих параметров [2]:
r
2
dω
RE
3 GM
(1 − 5 cos2 i)
1
=
J2
,
(1)
dt
4
a3
p
(1 − e2 )2
r
2
(3 cos2 i − 1)
3 GM
RE
dM0
,
(2)
=
J2
2
dt
4
a3
p
(1 − e2 )3/2
Здесь p = a(1 − e2 ) - фокальный параметр орбиты, e - эксцентриситет, RE экваториальный радиус Земли, a - большая полуось орбиты, Ω - долгота восходяшего узла, ω - аргумент перигея,M0 - средняя аномалия, J2 - амплитуда
второй зональной гармоники гравитационного потенциала.
Затем, на основе соотношений [1]
2
1
REth
3M = M + J2
η 3 [1 − 11θ2 − 40θ4 (1 − 5θ2 )−1 ] sin 2ω 0 ,
(3)
16
a
2
1
R
Eth
4ω = ω 0 − J2
[1 − 11θ2 − 40θ4 (1 − 5θ2 )−1 ] sin 2ω 0 + O(e20 ). (4)
16
a
с помощью гармонического метода наименьших квадратов вычисляются амплитуды гармоник с фазой 2ω 0 и по ним находятся оценки J2 . Здесь введены
обозначения:
q
(5)
η = 1 − e20 , θ = cos(i0 ),
0
ω 0 и M0 - вековые возмущения соответствующих параметров. Задача предлагается к использованию в космическом практикуме.
[1] Справочное руководство по небесной механике и астродинамике. под.
ред. Дубошина, М.:Изд. Наука, 1971, 584 с.
[2] Космический практикум. Под. ред. Панасюка М.И. М.: Изд. МГУ, 2005.
179 C.
О перспективах включения космического практикума
в базовые дисциплины образовательного стандарта по
направлению “Физика”
Журавлев В.М.
УлГУ,
Ульяновск„ Россия
e-mail: zhuravl@sv.ulsu.ru
В докладе излагаются перспективы и основные трудности включения задач космического практикума [1] в базовые дисциплины образовательного
стандарта по направлению “Физика”. Излагается опыт проведения факультативных занятий по космофизике с использованием космического практикума.
Этот опыт позволяет сделать заключение, что включение этого практикума
в дисциплины общей физики возможно только после того, как студентам
прочитаны основные математические курсы, включая математический анализ, методы математической физики и численные методы. Вместе с тем опыт
показывает, что задачи практикума дают базовые знания физикам, касающиеся знаний о космосе, которые в настоящее время не достаточно представлены в рамках курсов общей физики и теоретической физики. Поэтому представляется важным включить этот практикум на ряду с другими разделами
общефизического практикума, поместив его в отдельный раздел после прохождения раздела практикума “Ядерная физика”. Однако такое включение
возможно лишь при существенном изменении стандарта с увеличением времени обучения по стандарту специальности 5.5 лет. В рамках направления
“Физика” этот вопрос может быть решен с помощью перегруппировки часов,
отводимых на разные дисциплины между бакалавриатом и магистратурой.
В частности, можно было бы рассмотреть вопрос о времени обучения в бакалавриате 4.5 года, а в магистратуре 1.5 года для данного направления.
[1] Космический практикум. Под. ред. Панасюка М.И. М.: Изд. МГУ, 2005.
179 C.
Разработка основных требований к учебному
телеметрическому центру для проведения
лабораторных работ с использованием малых
космических аппаратов
Бескоровайный И.В., Трушляков В.И.
Омский государственный технический университет,
Омск, Россия
e-mail:
На базе ОмГТУ совместно с КБ ПО "Полет"создается учебный телеметрический центр (УТЦ), в задачи которого входит получение из центра управления КА (ЦУП КА) телеметрической информации (ТЛМИ) и преобразование
ее к виду, пригодному для использования студентами и преподавателями кафедр в учебном процессе. Поскольку первоначально использование ТЛМИ
в учебном процессе не предусматривалось, её использование при проведении
лабораторных работ (ЛР) без адаптации затруднено. Необходимую для работы информацию выделяют из всего потока данных ТЛМИ и представляют в
удобной для проведения ЛР виде. Таким образом, информация из ЦУП КА
поступает в УТЦ, а уже преобразованная оттуда поступает в ОмГТУ.
В настоящее время на примере курса ЛР по изучению гравитационного
и геомагнитного полей осуществляется отработка механизма взаимодействия
студентов и ЦУП КА через УТЦ. Адаптированные результаты ТЛМИ используются для сравнения с результатами математического моделирования
при проведении ЛР. В процессе проведения ЛР используется информация с
УТЦ: координаты центра масс КА и его скорость, углы ориентации связанной системы координат КА относительно орбитальной, а также показания
магнитометров системы ориентации и стабилизации КА.
Для различных математических моделей исследуемых физических процессов отличия результатов математического моделирования от реальных процессов, реализуемых на борту КА в космическом пространстве, показывают
степень идеализации математической модели, возможные ошибки математического моделирования, вычислений и т.д.
Для студентов 5 курса аэрокосмического факультета в рамках специальных дисциплин по курсу "Проектирование ракетных и ракетно-космических
комплексов"проводятся следующие ЛР:
1. Исследование динамики центра масс КА.
2. Изучение гравитационного поля Земли на основе динамики центра масс
КА с использованием навигационной аппаратуры потребителя.
3. Определение составляющих вектора индукции магнитного поля Земли.
4. Определение формы Земли по измерениям геомагнитного поля.
5. Определение гравитационного параметра на основе углового движения
КА.
6. Определение гравитационного параметра по частотам собственных колебаний КА.
Обратную связь с КА на орбите предполагается осуществлять путем подготовки рекомендаций в ЦУП КА для изменения программы работы КА,
например, изменения моментно-центровочных характеристик КА, настроек системы управления КА и т.д. В результате многократного повторения
использования результатов ТЛМИ при изменении параметров КА возникает возможность формирования параметрических статистических данных, на
основании которых возможно выявление аномалий исследуемых законов в
процессе проведения ЛР.
Пакет программ для обработки данных с
микроспутника
Фатеева А. М.
Волгоградский госуниверситет
Волгоград , Россия
e-mail: anya_kf _volgu@mail.ru
Представлен пакет программ, предназначенный для обработки данных с
микроспутника. Программы позволяют визуализировать и статистически обработать информацию (временные развёртки потоков частиц в различных
диапазонах энергий). Простота интерфейса позволяет использовать пакет как
для лабораторного практикума в вузах, так и для факультативных работ в
школах.
Зондирование атмосферы с помощью лазерного
излучения в ультрафиолетовом диапазоне.
Касьянов И. В.
Волгоградский госуниверситет
Волгоград , Россия
e-mail: : wetwater@yandex.ru
В предлагаемом докладе будут:
• представлено описание эксперимента по зондированию атмосферы с
• помощью лазерного излучения в ультрафиолетовом диапазоне;
• предложены методы по осуществлению данного эксперимента;
• описан предполагаемый источник излучения;
• приведены области использования результатов эксперимента;
• рассмотрены вопросы расширения эксперимента.
Проблема изменения климата:необходимость
спутниковых измерений.
Каплан Л.Г., Бадахова Г.Х., Каплан Г.Л.
Ставропольский государственный университет,
Ставрополь, Россия
e-mail: l_kaplan@mail.ru
Количество углекислого газа в атмосфере увеличилось на 20 % за последние сто лет и в настоящее время составляет 336 частей на миллион. Как
считают сторонники антропогенной теории, это увеличение является, с одной стороны, следствием большого количества сжигаемого углеводородного
сырья, а с другой - вызывает так называемый парниковый эффект, являющийся причиной изменения климата. В самом деле, увеличение температуры
приповерхностного атмосферного воздуха составило 0, 6−0, 70 C за последние
сто лет, заметно увеличение его влажности во многих регионах планеты, частота и интенсивность опасных явлений погоды за последние 10-15 лет резко
увеличились.
Противники антропогенной теории указывают, что естественные изменения климата, даже за сравнительно короткий документированный исторический период развития человечества, далеко выходят за пределы 0, 5 − 0, 7 0 C,
а изменение содержания углекислого газа в атмосфере может быть не причиной ее разогрева, а следствием, связанным с уменьшением растворимости
углекислого газа в воде океанов и морей при нагреве этой воды.
Эффективная температура Солнца, равная TC = 5770K [1], и параметры Земной орбиты - главные факторы, определяющие температуру земной
поверхности. Исходя из закона Стефана-Больцмана, расчетная температура земной поверхности при ряде сильных идеализирующих предположений
(высокая теплопроводность поверхности Земли, отсутствие атмосферы и парникового эффекта, одинаковое альбедо во всем диапазоне видимых и инфракрасных волн и др.) равняется
r
RC
TЗ = T C
≈ 279K = 60 C
2R
где RC = 0.7 млн. км - радиус Солнца, R = 150 млн. км - расстояние от
Земли до Солнца. Вычисление по той же формуле температуры Венеры (ее
расстояние до Солнца равно 108,2 млн. км) дает величину:
r
RC
TВ = T C
≈ 328K = 550 C
2R
Реальная усредненная температура поверхности Земли составляет T Зp ∼
287K = 140 C а Венеры - Tвp ∼ 735K = 4620 C. Таким образом, реальная
температура Земли всего на 50 превосходит ее расчетную температуру, для
Венеры эта величина равна 4070 . Перечислим по порядку значения важнейшие, после эффективной температуры Солнца и параметров Зем-ной орбиты,
факторы, влияющие на усредненную температуру земной поверхности [2].
1. Широтные и меридиональные значения альбедо земной поверхности в
диапазонах видимых и инфракрасных волн.
2. Эффект экранирования инфракрасного излучения Земли (иначе парниковый эффект) вследствие наличия облаков и облачных систем.
3. Эффект экранирования дневного солнечного излучения в видимом свете
облаками и облачными системами (т.е., обратный парниковый эффект).
4. Конвекция в тропосфере и верхней атмосфере.
5. Экранирующий (парниковый) эффект водяного пара по отношению к
инфракрасному излучению Земли.
6. Экранирующие эффекты в обоих направлениях (прямой и обратный парниковые эффекты) и влияние на процесс облакообразования аэрозолей
естественного и искусственного происхождения.
7. Парниковый эффект, вследствие наличия углекислого газа в атмосфере.
Точно указать роль каждого фактора при существующем состоянии теории
и базы данных весьма затруднительно. Особенно трудно определить роль облачности в связи с ее непостоянством и зависимостью знака эффекта от времени суток. Невыясненной остается роль компенсационных изменений, возникающих в атмосфере, океанах и на земной поверхности (например, растворение избыточного количества углекислого газа в океанской воде с дальнейшим
осаждением ракушками на дно океана). Однако, как следует из приведенного выше расчета температуры поверхности Земли, факторы, ее повышающие
и понижающие практически полностью компенсируются. Именно этим обусловлена малая разность действительной и расчетной температур.
Прямой расчет показывает [2], что парниковый эффект, обусловленный
углекислым газом, играет весьма ограниченную роль при нагреве земной поверхности. Количество углекислого газа в земной атмосфере в 500 раз меньше, чем водяного пара, а окна непропускания этих газов в инфракрасной
области излучения частично перекрываются. Кроме того, парниковый эффект углекислого газа маскируется экранирующим эффектом облачности в
обоих направлениях распространения излучения.
Совершенно другое положение характерно для Венеры, где давление углекислого газа достигает 90 а, что более чем в 3 000 раз превышает давление
этого газа на поверхности Земли. Поэтому огромную разность между реальной и расчетной температурой на Венере можно отнести к воздействию
парникового эффекта за счет углекислого газа.
Естественное или обусловленное человеческим вмешательством изменение
каждого из перечисленных факторов может приводить к изменению климата.
Достаточно уверенно можно выделить следующие антропо-генные факторы,
влияющие на изменения климата, по порядку их значения [2, 3].
1. Изменение альбедо и других свойств земной поверхности, обусловленное
сельскохозяйственной и промышленной деятельностью человека.
2. Изменение мутности атмосферы и режима облакообразования вследствие внесения большого количества аэрозолей при сельскохозяйственной и промышленной деятельности.
3. Увеличение количества углекислого газа в атмосфере за счет сжигания
углеводородного сырья.
Таким образом, существует множество естественных факторов, определяющих температуру земной поверхности, и антропогенных факторов, влияющих на изменение климата. Существующие расчеты вклада каждого из этих
факторов и всех в целом весьма приблизительны. Количественные выводы о
причинах изменения климата при существующей базе данных и теоретическом обеспечении этой проблемы не точны и не достоверны. Поэтому усилия
по ограничению выбросов углекислого газа, предпринимаемые мировым сообществом в соответствии с Киотским протоколом, представляются несколько
преждевременными.
Скептицизм по отношению к Киотскому протоколу усиливается еще двумя
существенными обстоятельствами.
1. Увеличение количества углекислого газа в атмосфере благоприятно для
растительности Земли в целом, поскольку этот газ является "лимитирующим фактором"жизни на планете [3]. Как показано множеством опытов, увеличение количества углекислого газа сопровождается существенным повышением урожайности сельхозкультур.
2. Общее потепление и увеличение влажности атмосферы благоприятны
для многих холодных и (или) засушливых регионов и целых стран, включая Россию. В частности, в Ставропольском крае увеличение количества
осадков за последние годы привело к заметному повышению стабильности сельхозпроизводства и увеличению урожайности основной культуры
- пшеницы.
Представляется, что прежде всего необходимо с точностью до долей процентов построить базу данных по параметрам излучения Солнца, земной поверхности и земной атмосферы в диапазонах видимых и инфракрас-ных волн.
Это можно сделать только с помощью специальных спутниковых систем. При
этом вопросы обеспе-чения прецизионной точности спутниковых измерений и
интерпретации полученных данных еще ожидают сво-ей проработки. Только
после этого можно будет оценить роль углекислого газа при изменении климата и пла-нировать возможные масштабные мероприятия по ограничению
выбросов CO2
[1] П.И. Бакулин, Э.В. Кононович, В.И. Мороз. Курс общей астрономии. М.,
Наука, 1981.
[2] Л.Т. Матвеев. Физика атмосферы. С.-Петербург. Гидрометеоиздат, 2000.
[3] Т.А. Акимова, В.В. Хаскин. Экология. Москва. ЮНИТИ, 2000.
Ускорение решения уравнения переноса излучения с
учетом поляризации для спутникового зондирования
Земли
Будак В.П.1 , , Коркин С.В.2
Московский энергетический институт (ТУ),
Москва, Россия
e-mail: 1 BudakVP@mpei.ru;
2
KorkinSV@mpei.ru
Теоретической базой для проблем дистанционного зондирования подстилающей поверхности Земли с космических летательных аппаратов является краевая задача для уравнения переноса излучения (УПИ) с граничными
условиями, отвечающими облучению объекта исследования. Всю доступную
оптическим методам информацию об объекте зон-дирования можно получить только на основе измерения поляризации излучения (Розен-берг), что
особенно важно при лазерном зондировании. Решение скалярного УПИ есть
лишь приближение без учёта энергии рассеянного назад и принятого спутником поляри-зованного излучения, что препятствует получению достоверной
информации о подсти-лающей поверхности. Для получения информации со
спутников в реальном времени осо-бенно важно разработать быстрые алгоритмы решения УПИ.
Chandrasekhar дал формулировку векторного УПИ для вектор-параметра
Stokes (SP-представление - Stokes Polarization) и решение для частного случая - релеевской инди-катрисы. Для сильно анизотропных индикатрис интеграл рассеяния УПИ представляется при помощи теоремы сложения, удобная форма которой для CP-представления (Circular Polarization) предложена
Kuscer - Ribaric. Ими же сформулирована система уравнений для метода сферических гармоник (СГ), содержащая, однако, комплексные коэффициенты.
Данное обстоятельство препятствует применению методов решения векторного УПИ, аналогичных скалярной задаче теории переноса.
Работа [1] содержит решение УПИ с учётом поляризации для малоугловой моди-фикации метода СГ. В [2] излагается способ ускорения сходимости
метода СГ для скаляр-ного УПИ за счёт вычитания из решения не прямой
сингулярной составляющей, а малоуг-лового решения (содержащего все особенности), разложенного по СГ, что позволяет дос-тигать той же точности
результата при меньшем числе членов ряда разложения по гармо-никам. Применив подход [2] в векторной форме [1] удалось получить ускоренное решение
векторного УПИ. Кроме того, за счёт матричной связи между SP и CP представлениями поляризованного излучения удалось воспользоваться теоремой
сложения, а затем вер-нуться в действительное SP-представление.
Для решения краевой задачи векторного УПИ был применён метод дискретных ор-динат (МДО). Решение системы линейных уравнений МДО позволило использовать более простую форму граничных условий для дискретного набора направлений. МДО так же да-ёт возможность решать краевую
задачу при произвольной геометрии источника излуче-ния. Лучевая формулировка уравнений МДО позволяет перейти к решению задач для произвольной трехмерной геометрии.
[1] Астахов И.Е., Будак В.П., Лисицин Д.В., Селиванов В.А. Решение векторного уравне-ния переноса в малоугловой модификации метода сферических
гармоник //Оптика атмосферы и океана, 1994. Т.7, N6. - С.753-761 2.
[2] Будак В.П., Козельский А.В., Савицкий Е.Н. Улучшение сходимости метода сфериче-ских гармоник при сильно анизотропном рассеянии // Оптика
атмосферы и океана. 2004. Т.17, вып. 1. С. 36-41.
Формирование солнечных космических лучей,
обогащенных тяжелыми ионами
Орищенко А.В.
Филиал Ульяновского государственного университета,
Димитровград, Россия
e-mail:
В течение последних лет продолжались исследования явления обогащения
состава СКЛ тяжёлыми ионами, открытого в начале 60-х годов прошлого
века. Несмотря на значительные усилия, затраченные на прояснение причин возникновения этого явления, окончательного ответа на этот вопрос до
сих пор не получено. Всё более тонкие эксперименты по регистрации состава СКЛ показывают, что подобные события вовсе не уникальны. Более того,
чем слабее событие на Солнце, тем чаще оно проявляет себя в составе СКЛ
как обогащённое тяжёлыми ионами и изотопом 3 He, т.е. это вполне распространённое событие, связанное с солнечными вспышками. В то же время в
работах Кочарова и Орищенко, [1,2] показано, что основные свойства событий богатых тяжёлыми ионами можно описать, используя единый для всех
ионов в событии механизм такого обогащения, – процесс индуцированного
рассеяния ионно-звуковых плазмонов на ионах. При наличии порогового по
жёсткости основного механизма ускорения ионов до скорости частиц СКЛ,
данный процесс позволяет получить наблюдаемые обогащения состава СКЛ
тяжёлыми ионами.
Обогащение различных ионов в определённом событии, как правило, различно и оно зависит, прежде всего от мощности этого события. Расчёты показывают [2], что для создания условий, при которых тяжелые ионы плазмы
нагревались бы ионно-звуковой турбулентностью до разных температур, тем
больших, чем тяжелее ионы, необходимо чтобы происходило взаимодействие
ионов с плазмонами ионно-звуковой турбулентности. При этом происходит
изменение функции распределения ионов по скоростям. Этот процесс можно описать как диффузию ионов в пространстве скоростей с коэффициентом
диффузии Dis , который зависит от заряда иона Ze и его массы Amp , так что
Dis пропорционален [5]:
2
Z
Z
s
(1)
·
−1
Di ∝
A
A
Поскольку тепловые скорости ионов, взаимодействующих с ионнозвуковой турбулентностью в процессе индуцированных рассеяний, меньше
тепловой скорости протонов, то основной вклад в кулоновское торможение
ионов в плазме вносит взаимодействие ионов с протонами плазмы. Число
Zi
ионов, которые за время tN L приобрели скорость V > Vth,i , где Vth,i ∝
Ai
– пороговая скорость (скорость, с которой начинается вовлечение ионов в
основной механизм ускорения), находится простым интегрированием, с учётом суммирования всех ионизационных состояний, определяемых формулой
Саха. Для объяснения случаев обогащения тяжёлыми ионами более благоприятными оказались значения параметров, при которых кулоновскими потерями в области ускорения можно пренебречь, но только при определённых
условиях.
Как показали расчёты получить согласие с экспериментом удаётся, если
предположить, что в области ускорения (и инжекции) существует достаточ-
Рис. 1: Рассчитанная и полученная из эксперимента (наблюдения 24-26 сентября 1977г.)
зависимость обогащения от атомного номера элемента. Параметры модели: χp = 0, 25;
Tp = 5 · 106 K; ϕi = 6.
но высокая неизотермия ионных компонент плазмы, когда Tp Ti , где Tp
и Ti температуры протонной и ионной температуры плазмы соответственно.
Если же в этой области Tp = Ti , то получить согласие с экспериментом невозможно. Если пороговая скорость механизма основного ускорения достаточно
велика, Vth > VT p , то благоприятными для получения согласия с экспериментом становятся соотношения температур Tp ≤ Ti Te , где Te - температуры
электронной плазмы. В этом случае, в пренебрежении кулоновскими потеряTe
= 25, получается наилучшее
ми и при протон-электронной неизотермии
Tp
согласие с экспериментом, рисунок 1, [8].
[1] L.G.Kocharov, A.V.Orishchenko. On the mechanism of solar cosmic ray
enrichment by heavy ions. Proc. 18-th Internat. Cosmic Ray Conf., Bangalor,
1983, 4, p.37.
[2] Л.Г.Кочаров, А.В.Орищенко. Фомирование состава солнечных космических лучей. Препринт ФТИ-905, 1984, 21с.
[3] R.K.Sciambi, G. Gloeckler, C.Y. Fan, D. Hovestadt. Astrophys. J., 1977, 214,
316.
[4] K. Sakurai. Proc. 14-th ICRC, Munich, 1975, 5, 1552.
[5] Л.Г.Кочаров. Солнечные данные. 1983, № 9, с.60.
[6] В.Н.Цытович. Теория турбулентной плазмы. М., "Атомиздат", 1971.
[7] А.И.Ахиезер (ред.). Электродинамика плазмы. М., "Наука", 1974.
[8] А.В.Орищенко. Обогащение солнечных космических лучей тяжёлыми элементами. Диссертация на соискание учёной степени к.ф.-м.н. Ленинград,
1984.
[9] Л.Г.Кочаров, А.В.Орищенко. Влияние коронального распространения на
обогащение потоков энергичных частиц от Солнца тяжёлыми элементами.
Препринт № 822, ФТИ, Л., 1982, с.15.
Космофизический практикум: солнечные космические
лучи
Горбунов В.Н., Иванова Д.А., Куприянов М.О., Чернюк Н.В.,
Штарёва Т.Е., Моисеев Б.М., Мягкова И.Н.
Костромской государственный университет,
Кострома, Россия,
НИИЯФ МГУ,
Москва, Россия
Общей целью космофизического практикума является знакомство учащихся с современными научными представлениями о физических процессах,
процессах в околоземном космическом пространстве, с методами исследования динамики потоков и спектров солнечных космических лучей (СКЛ) по
данным искусственных спутников Земли (ИСЗ).
Разрабатываемый нами комплекс лабораторных работ по теме "Солнечные космические лучи"ориентирован на студентов, только начинающих знакомится с данной темой и не имеющих специальных знаний. Эти работы
помогут учащимся лучше понять процессы влияния СКЛ на нашу планету,
оценивать информацию по данной теме, обрабатывать ее, делать некоторые
прогнозы. Эти работы могут также послужить базой для более глубокого
изучения не только данной проблемы, но и сопутствующих областей.
В каждой работе, посвященной какой-либо составляющей СКЛ, будет
представлена вся необходимая теория и комплекс из нескольких заданий,
которые будут логически взаимосвязаны, и каждое следующее задание будет
построено на результатах предыдущего. Для простого и быстрого выполнения задачи все нужные для работы ссылки и вид страниц Интернета также
находятся в самой работе.
На сегодняшний день разрабатывается лабораторная работа по одной из
составляющих СКЛ: протоны. Готов весь необходимый теоретический материал и часть упражнений. Для завершения работы необходима расшифрованная информация со спутника “Университетский - Татьяна”.
В лабораторной работе используются данные ИСЗ “УниверситетскийТатьяна”, GOES и ACE. Данная задача может быть рекомендована студентам
физических факультетов университетов и других ВУЗов в рамках общего
ядерного практикума.
Предварительные итоги реализации
научно-образовательной космической программы
СГАУ во время полета КА "Фотон-М"№2
Балакин В.Л., Белоконов И.В., Семкин Н.Д.
Самарский государственный аэрокосмический университет,
Самара, Россия
e-mail:
С 1998 года в Самарском государственном аэрокосмическом университете (СГАУ) разработана и успешно реализуется научно-образовательная
космическая программа на микрогравитационных космических платформах
(МКП) “Фотон”, выполняющаяся силами студентов и аспирантов. В рамках
этой программы была разработана аппаратура “МИРАЖ-М” и “ЧИСТОТА”,
которая была размещена на МКП “Фотон-М” № 2, успешно проработала в
течение двухнедельного космического полета с 31 мая по 15 июня 2005 года
и частично возвращена на Землю внутри спускаемой капсулы.
В состав аппаратуры входили датчики, размещенные внутри отсека (научной аппаратуры: шесть магнитометров, приемник спутниковой радионавигации) и снаружи МКП (два датчика пыли, два ионных датчика набегающего
потока, пять датчиков электризации, из которых один выносной на штанге),
а также блоки электроники и антенна навигационного приемника (табл. 1 и
2).
Рис. 2:
Общее назначение разработанной аппаратуры - анализ реальных условий,
в которых проводятся научные и технологические эксперименты на МКП
“Фотон-М” в условиях микрогравитации с целью последующей сертификации и качественной интерпретации результатов научных и технологических
экспериментов.
Перечень экспериментов и ожидаемые результаты приведены в табл.3.
Кроме этого была разработана на языке Java информационная среда
“Виртуальный Фотон” в сети ИНТЕРНЕТ (http://www.volgaspace.ru), которая позволяла всем желающим получать информацию о движении МКП, ее
ориентации в пространстве, уровнях микроускорений в различных точках
отсека научной аппаратуры.
Рис. 3:
Солнечно-Земные связи.
Лазутин Л.Л.
НИИЯФ МГУ,
Москва, Россия
e-mail:
Солнечная активность как основной фактор, определяющий космическую погоду. Выбросы масс, вспышки, солнечные космические лучи.
Солнечный ветер, скорость, плотность, магнитное поле, изменчивость.
Ударные фронты и сектора.
Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой. Структура магнитосферы.
Возмущения - перманентные, суббуревая активность, магнитные бури.
Ускорение частиц и захват в ловушку. Высыпание в атмосферу. Ионосферные бури. Полярные сияния.
Космическая погода - технологические проблемы, наземные электролинии и газопроводы, проблемы связи. Биологический и медицинский аспекты.
Освоение космоса - аппаратура спутников, радиационная опасность долговременных полетов и межпланетных экспедиций.
Российский вклад в солнечно-земную физику и исследования космической
погоды.
Проблемы прогноза космической погоды. Значение международной кооперации.
Ультрафиолетовое излучение ночной атмосферы
Земли и проблема излучения космических лучей
предельно высоких энергий.
Гарипов Г.К., Хренов Б.А., Тулупов В.И.
НИИЯФ МГУ,
Москва, Россия
e-mail: garipov@eas.sinp.msu.ru
В докладе представлены результаты измерений фона свечения атмосферы
Земли с помощью детектора ультрафиолетового излучения, установленного
на борту микроспутника МГУ Университетский-Татьяна, в течение одного
лунного месяца. Приведены примеры, зарегистрированных вспышек ультрафиолетового излучения в экваториальном районе Земли, приводятся примеры регистрации полярных сияний в районе Южного полюса. Эти измерения
необходимы для планирования исследований космических лучей предельно
высоких энергий с помощью оптического детектора с околоземной орбиты на
борту спутника.
Ультрафиолетовое излучение ночной атмосферы
Земли и проблема излучения космических лучей
предельно высоких энергий.
Гарипов Г.К., Хренов Б.А., Тулупов В.И., Шевелева В., Климов
П., Саломон А.
НИИЯФ МГУ,
Москва, Россия
e-mail: garipov@eas.sinp.msu.ru
Задача практикума - знакомство с методикой измерения ультрафиолетового излучения с помощью оптического прибора с околоземной орбиты.
Задача основана на данных ИСЗ МГУ "Университетский-Татьяна". Для
выполнения задачи необходимо ознакомится с работой в сети Internet, с программой определения координат спутника-"Orbitron", и программой графического представления данных- "Tatiana", по первичным данным детектора
определить интенсивность фона ультрафиолетового излучения вдоль орбиты
спутника для заданных географических координат.
Применение малых космических аппаратов для
решения задач космической радиофизики
Шахпаронов В.М.
МГУ им. В.М. Ломоносова,
Москва, Россия
e-mail:
Рассматриваются задачи космической радиофизики и применение к ним
малых космических аппаратов, которое не только стало возможным, но
и непрерывно расширяется в связи с совершенствованием микрорадиоэлектронной и микроэлектромеханической элементной базы.
1. Введение.
Быстро развивающиеся микроэлектроника и микроэлектромеханика создают условия для миниатюризации элементной базы, что в свою очередь
позволяет создавать малогабаритную радиоэлектронную аппаратуру для размещения на борту малых и сверхмалых космических аппаратов. Производством на сегодняшний день успешно осваивается уже 0,09-микронная технология. Для этих устройств характерны не только малые масса и габариты, но
и весьма невысокое энергопотребление при низких питающих напряжениях,
при этом коэффициент полезного действия достаточно высок. Таким образом, возрастают возможности малых космических аппаратов в целом и для
проведения радиофизических исследований в частности.
2. Основные направления. Как известно, в радиофизике рассматриваются задачи связанные с физическими основами радиотехники и электроники. В свою очередь, радиотехника решает задачи передачи и приёма информации при помощи радиоволн и связанные с этим вопросы, а в электронике,
в частности, разрабатываются устройства, предназначенные для генерации,
формирования и преобразования электрических сигналов.
Вполне очевидно, что приведённая классификация более чем условна. Тем
не менее, совершенно очевидно, что при разработке, изготовлении и эксплуатации космических аппаратов значительное внимание приходится уделять
решению радиофизических задач.
Радиофизические задачи опять же условно можно разделить на два направления: исследования, направленные на применение радиофизических методов и аппаратуры для космического пространства, Земли из космоса, а
также других планет, и исследования, направленные на совершенствование
и развитие собственно самих радиофизических методов и аппаратуры.
В первом случае речь идёт, например, о задачах, связанных с изучением
распространения радиоволн различных диапазонов на трассе Земля-спутник
и спутник-спутник и получении информации о процессах в космическом пространстве или о том, как процессы, происходящие внутри или на поверхности планеты, могут быть зарегистрированы с орбиты космического аппарата.
На самом деле круг задач, решаемых космической радиофизикой в этом направлении достаточно широк, от излучения радиоизлучения Солнца и других
космических объектов, до приёма информации, поступающей с космических
аппаратов и передачи управляющих сигналов на борт КА. Для решения всех
этих задач специально предусмотрены и распределены соответствующие полосы частот в каждом диапазоне ультракоротких радиоволн.
Во втором случае исследуются собственно процессы передачи и приёма информации, её преобразования, хранения и отображения. Здесь рассмотрение
затрагивает собственно процессы управления спектром сигнала и элементную
базу бортовой и наземной аппаратуры. Цель этих исследований разработка и
создание методов надёжного переноса информации по радиоканалу, повыше-
ние скорости информационного обмена, уменьшение массогабаритных показателей элементной базы, а следовательно и самой аппаратуры, улучшение
экономических показателей.
3. Применение малых космических аппаратов.
Малые космические аппараты (масса КА не превышает сотни килограмм)
разрабатывались и строились, начиная с самых первых запусков искусственных спутников Земли. Однако, элементная база радиоэлектроники 60-80-х
годов сдерживала развитие этого направления.
Применение малых космических аппаратов для
решения задач космической радиофизики.
Шахпаронов В.М.
МГУ им. В.М. Ломоносова,
Москва, Россия
e-mail:
Рассматриваются задачи космической радиофизики и применение к ним
малых космических аппаратов, которое не только стало возможным, но
и непрерывно расширяется в связи с совершенствованием микрорадиоэлектронной и микроэлектромеханической элементной базы.
1. Введение.
Быстро развивающиеся микроэлектроника и микроэлектромеханика создают условия для миниатюризации элементной базы, что в свою очередь
позволяет создавать малогабаритную радиоэлектронную аппаратуру для размещения на борту малых и сверхмалых космических аппаратов. Производством на сегодняшний день успешно осваивается уже 0,09-микронная технология. Для этих устройств характерны не только малые масса и габариты, но
и весьма невысокое энергопотребление при низких питающих напряжениях,
при этом коэффициент полезного действия достаточно высок. Таким образом, возрастают возможности малых космических аппаратов в целом и для
проведения радиофизических исследований в частности.
2. Как известно, в радиофизике рассматриваются задачи связанные с физическими основами радиотехники и электроники. В свою очередь, радиотехника решает задачи передачи и приёма информации при помощи радиоволн
и связанные с этим вопросы, а в электронике, в частности, разрабатываются
устройства, предназначенные для генерации, формирования и преобразования электрических сигналов.
Вполне очевидно, что приведённая классификация более чем условна. Тем
не менее, совершенно очевидно, что при разработке, изготовлении и эксплуатации космических аппаратов значительное внимание приходится уделять
решению радиофизических задач.
Радиофизические задачи опять же условно можно разделить на два направления: исследования, направленные на применение радиофизических методов и аппаратуры для космического пространства, Земли из космоса, а
также других планет, и исследования, направленные на совершенствование
и развитие собственно самих радиофизических методов и аппаратуры.
В первом случае речь идёт, например, о задачах, связанных с изучением
распространения радиоволн различных диапазонов на трассе Земля-спутник
и спутник-спутник и получении информации о процессах в космическом пространстве или о том, как процессы, происходящие внутри или на поверхности планеты, могут быть зарегистрированы с орбиты космического аппарата.
На самом деле круг задач, решаемых космической радиофизикой в этом направлении достаточно широк, от излучения радиоизлучения Солнца и других
космических объектов, до приёма информации, поступающей с космических
аппаратов и передачи управляющих сигналов на борт КА. Для решения всех
этих задач специально предусмотрены и распределены соответствующие полосы частот в каждом диапазоне ультракоротких радиоволн.
Во втором случае исследуются собственно процессы передачи и приёма информации, её преобразования, хранения и отображения. Здесь рассмотрение
затрагивает собственно процессы управления спектром сигнала и элементную
базу бортовой и наземной аппаратуры. Цель этих исследований разработка и
создание методов надёжного переноса информации по радиоканалу, повышение скорости информационного обмена, уменьшение массогабаритных показателей элементной базы, а следовательно и самой аппаратуры, улучшение
экономических показателей.
3. Применение малых космических аппаратов
Малые космические аппараты (масса КА не превышает сотни килограмм)
разрабатывались и строились, начиная с самых первых запусков искусствен-
ных спутников Земли. Однако, элементная база радиоэлектроники 60-80-х
годов сдерживала развитие этого направления. В настоящее время число
запусков малых космических аппаратов учебного и учебно-научного назначения в год превысило полтора десятка и тенденции к его сокращению не
предвидится. Совершенно очевидно, что здесь не последнюю роль играют
экономические показатели: значительно меньший расход материалов на конструкцию самого КА, снижение и в некоторых случаях даже весьма ощутимое трудозатрат на разработку, изготовление и транспортировку к месту
запуска. Существенно меньшая стоимость запуска таких КА, так как запуск
производится попутным или групповым способом и не требует специальных
носителей.
Безусловно, весь круг задач, решаемых в космосе, переложить на малые
КА по вполне понятным причинам невозможно, да и нет необходимости, однако, задачи учебно-научного направления совместно с отработкой значительного количества частных исследовательских задач успешно решаются
малыми КА. Развитие космических навигационных методов и методов решения баллистических задач, а также создание малогабаритной навигационной
аппаратуры позволяет определить местоположение, скорость, характеристики орбиты для малых космических аппаратов, а это в свою очередь позволяет
решать радиофизические задачи по исследованию Земли и космического пространства: распространение радиоволн по трассе спутник-Земля и спутникспутник, исследование процессов, происходящих в ионосфере методами радоспектроскопии, исследование атмосферы, поверхности Земли, планет и глубинных процессов в них в радиодиапазоне.
С другой стороны, развитие микроэлектромеханики совместно с микроэлектроникой, конечно позволило значительно снизить массогабаритные характеристики как датчиков (микрогироскопов, микроакселерометров,
солнечных и звёздных датчиков, ИК-горизонтов), так и исполнительных
устройств (управляющих двигателей-маховиков, например), и обеспечивающих их взаимодействие бортовых вычислителей для систем точной ориентации и стабилизации малых КА.
Высокоточные системы ориентации и стабилизации малых КА позволяют
в свою очередь воспользоваться узконаправленными антеннами и перейти в
гигагерцовый диапазон как для организации высокоскоростных каналов пе-
редачи информации, так и для мониторинга Земли, атмосферы, космического
пространства и Солнца в диапазоне СВЧ.
4. 7. Элементная база.
Современная твердотельная микроэлектронная технология, как хорошо
известно, позволяет разместить на подложке площадью порядка одного квадратного сантиметра несколько миллионов транзисторов, работающих на частотах в единицы гигагерц. Лабораторные образцы усилителей на биполярных и полевых кремниевых транзисторах успешно работают на частотах превышающих сотню гигагерц. Успешно осваивается терагерцовый диапазон.
Современные интегральные технологии позволяют объединять радиосхемы,
схемы аналоговой и цифровой электроники в корпусе одного устройства, что
переводит возможности аппаратуры на качественно иной, более высокий уровень.
Вопрос радиационной стойкости радоэлектронных и микромеханических
компонент по прежнему актуален. Это обусловлено прежде всего тем, что
для бортовой аппаратуры маых КА особенно научно-учебного назначения
применяются широкораспространённые, легкодоступные электрорадиоизделия в обычном промышленном исполнении. Для проведения исследований в
этой области малые космические аппараты используются достаточно широко.
Здесь важно совмещение измерения радиационной обстановки на борту КА
и исследования устойчивости работы бортовых систем, их элементной базы
и деградационных процессов в них, вызванных влиянием космической среды
и времени.
5. Выводы.
Малые космические аппараты волне пригодны для решения задач космической радиофизики и в первую очередь научно-учебных задач. Сравнительно невысокие затраты на производство и запуск делают малые КА доступными для ВУЗов, а микроэлектронная и микроэлектромеханическая элементная
база позволяет решать широкий спектр исследовательских радиофизических
задач и непосредственно примыкающих к ним образовательных задач.
Предметный указатель
Бадахова Г.Х., 21
Балакин В.Л. , 30
Белоконов И.В., 30
Бескоровайный И.В., Трушляков
В.И., 18
Будак В.П., 25
Фатеева А. М., 20
Фундаев С.В., 14
Фундаев С.В., 16
Гарипов Г.К. , 33, 34
Горбунов В.Н., Иванова Д.А., Куприянов М.О., Чернюк Н.В.,
Штарёва Т.Е., Моисеев Б.М.,
Мягкова И.Н., 29
Хренов Б.А., 33, 34
Каплан Г.Л., 21
Каплан Л.Г., 21
Касьянов И. В., 20
Коркин С.В., 25
Красоткин С.А., 15
Красоткин С.А., 7, 8
Лазитин Л.Л. , 33
Лихачев С.П., 8
Мягкова И.Н., 9, 10
Орищенко А.В., 26
Семкин Н.Д., 30
Сигаева Е.А., 11
Свертилов С.И., 5, 6
Шляпин В.А., 13
Тулупов В.И., 33, 34
Яшин И.В., 12
Журавлев А.В., 12, 14
Журавлев В.М., 12–17
40
Содержание
Рабочие доклады
Свертилов С.И. Современные проблемы астрофизики
высоких энергий . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Свертилов С.И. Экспериментальные методы исследования космической радиации . . . . . . . . . . . .
Красоткин С.А. Солнечная активность . . . . . . . .
Красоткин С.А. Солнечный ветер в гелиосфере . . . .
Лихачев С.П. База научной и образовательной информации СМКА “УНИВЕРСИТЕТСКИЙ” и инструменты анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Мягкова И.Н. Солнечные космические лучи . . . . . .
Мягкова И.Н. Задачи космических исследований . . . .
Сигаева Е.А. Гелиобиология . . . . . . . . . . . . . . .
Яшин И.В. Научная аппаратура СМК “Университетский” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Журавлев В.М., Журавлев А.В. Назначение, организация и перспективы развития интерактивной базы
данных Космограф с комплектом программ обработки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Журавлев В.М., Шляпин В.А. Об обнаружении
кратковременных возмущений верхней атмосферы
Земли по данным о фокальном параметре орбиты
спутника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Журавлев В.М., Журавлев А.В., Фундаев С.В. О взаимосвязи показаний датчиков заряженных частиц
Коронас-F и энергосодержание компонент радиации на орбите . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Журавлев В.М., Красоткин С.А. Об предлагаемых изменениях в структуре базовых дисциплин направления “Физика” в рамках деятельности НОЦ . .
41
3
5
6
7
8
8
9
9
10
12
12
13
14
15
Журавлев В.М., Фундаев С.В. Долгопериодические
возмущения параметров орбиты спутника в следствие не сферичности Земли . . . . . . . . . . .
Журавлев В.М. О перспективах включения космического практикума в базовые дисциплины образовательного стандарта по направлению “Физика” .
Бескоровайный И.В., Трушляков В.И. Разработка
основных требований к учебному телеметрическому центру для проведения лабораторных работ с
использованием малых космических аппаратов . .
Фатеева А. М. Пакет программ для обработки данных
с микроспутника . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Касьянов И. В. Зондирование атмосферы с помощью лазерного излучения в ультрафиолетовом диапазоне.
Каплан Л.Г., Бадахова Г.Х., Каплан Г.Л. Проблема
изменения климата:необходимость спутниковых
измерений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Будак В.П., Коркин С.В. Ускорение решения уравнения переноса излучения с учетом поляризации для
спутникового зондирования Земли . . . . . . . .
Орищенко А.В. Формирование солнечных космических
лучей, обогащенных тяжелыми ионами . . . . . .
Горбунов В.Н., Иванова Д.А., Куприянов М.О., Чернюк
Н.В., Штарёва Т.Е., Моисеев Б.М., Мягкова И.Н.
Космофизический практикум: солнечные космические лучи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Балакин В.Л., Белоконов И.В., Семкин Н.Д.
Предварительные итоги реализации научнообразовательной космической программы СГАУ во
время полета КА "Фотон-М"№2 . . . . . . . . . .
Лазутин Л.Л. Солнечно-Земные связи. . . . . . . . . . .
Гарипов Г.К., Хренов Б.А., Тулупов В.И. Ультрафиолетовое излучение ночной атмосферы Земли и проблема излучения космических лучей предельно высоких энергий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Гарипов Г.К., Хренов Б.А., Тулупов В.И., Шевелева В.,
Климов П., Саломон А. Ультрафиолетовое излучение ночной атмосферы Земли и проблема излучения космических лучей предельно высоких энергий.
Шахпаронов В.М. Применение малых космических аппаратов для решения задач космической радиофизики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
17
18
20
20
21
24
26
29
30
32
33
33
34
Шахпаронов В.М. Применение малых космических аппаратов для решения задач космической радиофизики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
Научное издание
Тезисы докладов школы–семинар
“Космос и образование – 2005”
Под редакцией д.ф.-м.н.
Журавлева Виктора Михайловича
Технический редактор
Савелова Е.П.
Оригинал-макет подготовлен в издательской системе LATEX2e
Отпечатано с оригинал-макета в Лаборатории оперативной полиграфии
Ульяновского государственного университета
432970, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42