Пример ТЗ на космический эксперимент

СОГЛАСОВАНО
УТВЕРЖДАЮ
Зам. генерального конструктора
Проректор МИФИ
РКК «Энергия»
_____________ С.К. Крикалев
«___» __________ 2007 г.
_____________ Б.Ю. Богданович
«___» __________ 2007 г.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА КОСМИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
«Исследование пучков высокоэнергичных электронов, генерируемых
грозовой активностью, в магнитосфере Земли»
Шифр: «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН»
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
СОГЛАСОВАНО
Председатель секции №2
«Геофизические исследования»
КНТС ФКА
_____________ В.Д. Кузнецов
продолжение на следующем листе
продолжение титульного листа
ТЗ на КЭ «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН»
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
От РКК «Энергия»
От МИФИ
Зам. проректора МИФИ
по научной работе
________________ В.А. Сенюков
Директор института
Космофизики МИФИ
________________ А.М. Гальпер
Начальник отдела
________________
Начальник отдела
Зав. лабораторией института
Космофизики МИФИ
________________
_________________ С.В. Колдашов
Начальник отдела
________________
Начальник отдела
________________
2007
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 3
СОДЕРЖАНИЕ
Список сокращений..................................................................................................... 5
1 Общие положения ................................................................................................... 8
1.1 Полное наименование КЭ................................................................................. 8
1.2 Шифр КЭ ............................................................................................................ 8
1.3 Цель проведения КЭ ......................................................................................... 8
1.4 Основание для разработки ............................................................................... 8
1.5 Тип КА, на котором проводится КЭ................................................................ 8
2 Задачи КЭ ................................................................................................................. 9
2.1 Основные научно-технические задачи КЭ ..................................................... 9
2.2 Требования к КЭ в отношении объектов исследований ............................... 9
2.3 Число сеансов КЭ в год и количество лет реализации КЭ ........................... 9
2.4 Формы регистрации и качество информации .............................................. 10
2.5 Количественный критерий полноты выполнения задач КЭ ....................... 10
3 Технические требования к НА ............................................................................. 11
3.1 Наименование и назначение НА, устанавливаемой на КА ......................... 11
3.2 Блоки и агрегаты, входящие в состав НА, и их назначение ....................... 11
3.3 Технические требования к характеристикам НА......................................... 13
4 Требования к средствам обеспечения КЭ ........................................................... 14
5 Требования к наземной подготовке КЭ .............................................................. 15
5.1 Порядок и сроки разработки, изготовления, испытаний и поставки НА .. 15
5.2 Основные программные и методические документы по КЭ ...................... 15
5.3 Перечень средств обработки полученных материалов, а также сроки
разработки математического обеспечения, необходимого для
проведения расчетов во время подготовки сеанса КЭ и обработке
полученных материалов ................................................................................. 16
5.4 Перечень основных работ по наземной подготовке КЭ.............................. 16
6 Технические требования к ПКК .......................................................................... 17
6.1 Требования к ПКК ........................................................................................... 17
6.2 Требования к обеспечению расходуемыми материалами........................... 20
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 4
6.3 Требования к условиям проведения сеансов КЭ ......................................... 20
6.4 Требования к экипажу ПКК ........................................................................... 21
6.5 Требования к НКУ........................................................................................... 22
7 Обязанности участников КЭ ................................................................................ 23
7.1 Состав участников КЭ .................................................................................... 23
7.2 Основные обязанности участников КЭ......................................................... 23
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 5
Список сокращений
АСОТР
- Автоматическая система обеспечения теплового
режима;
БД
- Блок детекторов;
БИТС
- Бортовая информационно-телеметрическая система;
БМА
- Бразильская магнитная аномалия;
БУ
- Блок управления;
ВнеКД
- Вне корабельная деятельность;
ВнуКД
- Внутри корабельная деятельность;
ГЛ
- Гидролаборатория;
ГО
- Гермоотсек;
ГОГУ
- Главная оперативная группа управления;
ГС
- Годоскопическая система;
ИД
- Исходные данные;
ИСК
- Инерциальная система координат;
ИУС
- Информационно-управляющая система;
ЗАО
- Закрытое акционерное общество;
ЗУ
- Запоминающее устройство;
КА
- Космический аппарат;
КД
- Конструкторская документация;
КДИ
- Конструкторско-доводочные испытания;
КИА
- Контрольно-измерительная аппаратура;
КНТС
- Координационный научно-технический совет;
КС
- Комплексный стенд;
КЭ
- Космический эксперимент;
ЛК
- Летный комплект;
ЛОИ
- Лабораторные отработочные испытания;
МИФИ
- Московский инженерно-физический институт;
МЛМ
- Многоцелевой лабораторный модуль;
НА
- Научная аппаратура;
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
НИ
- Научная информация;
НКО
- Наземные комплекс отработки;
НКУ
- Наземный комплекс управления;
НПА
- Научно-производственная ассоциация;
НПИ
- Научно-прикладные исследования;
ОАО
- Открытое акционерное общество;
ОКР
- Опытно-конструкторская работа;
ОСК
- Орбитальная система координат;
ПКК
- Пилотируемый космический комплекс;
ПМ
- Программа-методика;
ПМО
- Программно-математическое обеспечение;
ПСИ
- Приемо-сдаточные испытания;
РГНИИ ЦПК
- Российский
государственный
Лист 6
научно-технический
институт центр подготовки космонавтов;
РД
- Рабочая документация;
РКК
- Ракетно-космическая корпорация;
РО
- Рабочий отсек;
РС
- Российский сегмент международной космической
станции;
РТС
- Радиотехнические средства
САИ
- Система амплитудного анализа импульсов;
САС
- Система антисовпадений;
СБИ
- Система сбора информации;
СЕВ
- Система единого времени;
СК
- Сцинтилляционный калориметр;
СМ
- Служебный модуль;
СпИ
- Специальные испытания;
ССОД
- Система сбора и обработки данных;
СУБА
- Система управления бортового питания;
СЭУ
- Система электропитания и управления;
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
ТГК
- Транспортный грузовой корабль;
ТЗ
- Техническое задание;
ТМ
- Телеметрия;
ТМИ
- Телеметрическая информация;
ТК
- Технический комплекс;
УРМ
- Универсальное рабочее место;
ФКА
- Федеральное Космическое Агентство;
ЦУП
- Центр управления полетом;
ЭОЗ
- Экспериментальный опытный завод;
ЭП
- Эскизный проект.
Лист 7
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 8
1 Общие положения
1.1 Полное наименование КЭ
Наименование космического эксперимента – «Исследование пучков
высокоэнергичных
электронов,
генерируемых
грозовой
активностью,
в
магнитосфере Земли».
1.2 Шифр КЭ
Шифр КЭ – «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН».
1.3 Цель проведения КЭ
Целью космического эксперимента «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» является
исследование физической природы нестационарных явлений в верхней
атмосфере, связанных с грозовой активностью («спрайты», «синие струи»,
«эльфы»). Выявление механизмов формирования пучков высокоэнергичных
электронов
в
высотных
электрических
разрядах,
изучение
процессов
пространственного распространения и временной эволюции таких пучков
частиц в магнитосфере Земли.
1.4 Основание для разработки
Решение
секции
№2
«Геофизические
исследования»
КНТС
Федерального космического агентства от 08.12.2005 г.
1.5 Тип КА, на котором проводится КЭ
НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» предполагается установить на МЛМ или СМ
(при наличии ресурсов) РС МКС: блок детекторов (БД) вне ГО, а блок
управления (БУ) в ГО.
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 9
2 Задачи КЭ
2.1 Основные научно-технические задачи КЭ
В процессе проведения КЭ решаются следующие задачи:
- измерение потоков высокоэнергичных электронов в магнитосфере
Земли;
- выявление
кратковременных
всплесков
(пучков)
частиц
продолжительностью вплоть до 1 мс;
- измерение энергетических спектров и питч-угловых распределений
пучков высокоэнергичных электронов;
- измерение временных профилей и определение пространственных
размеров пучков высокоэнергичных электронов в магнитосфере Земли
2.2 Требования к КЭ в отношении объектов исследований
Объектами
исследования
являются
потоки
высокоэнергичных
электронов в диапазоне энергий от 2 МэВ до порядка 15 – 20 МэВ в
магнитосфере Земли.
Для
непрерывные
выполнения
измерения
поставленной
потоков
цели
предполагается
высокоэнергичных
провести
электронов
в
магнитосфере Земли.
В рамках космического эксперимента «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» должна
быть
осуществлена
разработка
и
изготовление
научной
аппаратуры,
работающей в инфраструктуре МКС, для прецизионных измерений временных
профилей (1 мс) высокоэнергичных электронов в магнитосфере Земли.
2.3 Число сеансов КЭ в год и количество лет реализации КЭ
НА работает автоматически в режиме непрерывных измерений.
Длительность КЭ не менее трёх лет.
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 10
2.4 Формы регистрации и качество информации
Регистрируемая информация делится на два вида: служебная и научная.
Служебная информация передается посредством штатной телеметрической
системы в ЦУП и по ней определяется состояние и работоспособность НА.
Служебная информация поступает с ТМ-датчиков.
Научная информация от НА передаётся в ЦУП в виде цифровых
массивов. В ЦУП осуществляется распаковка и первичная обработка исходной
информации,
ее
пространственная
и
временная
привязка.
На
основе
полученных данных осуществляется контроль работоспособности НА и
формирование банка научных данных.
2.5 Количественный критерий полноты выполнения задач КЭ
Критериями оценки выполнения эксперимента являются получение
данных о потоках высокоэнергичных электронов в магнитосфере Земли,
наличие данных об ориентации и местоположении космической станции,
привязка результатов измерений к временной шкале.
Задачи КЭ будут выполнены, если за время проведения эксперимента
будет зарегистрировано не менее 20 событий (пучков высокоэнергичных
электронов), связанных с высотными электрическими разрядами. При этом для
каждого события будут определены энергетические спектры, питч-угловые и
пространственные распределения частиц, временные профили.
Оценку полноты выполнения задач КЭ проводят Исполнитель и
Постановщик КЭ.
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 11
3 Технические требования к НА
3.1 Наименование и назначение НА, устанавливаемой на КА
Аппаратура для КЭ  спектрометр-телескоп «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН»
(разработан в МИФИ)  предназначена для измерения характеристик потоков
высокоэнергичных электронов. Должна обладать высокими временными
параметрами, позволяющими проводить прецизионные измерения временных
профилей и работать в интенсивных потоках частиц, иметь сравнительно
большую светосилу, обеспечивать измерение питч-угловых и энергетических
характеристик потоков частиц.
3.2 Блоки и агрегаты, входящие в состав НА, и их назначение
3.2.1 Состав НА
НА выполнена в виде двух блоков:
- БД;
- БУ.
3.2.2 БД располагается вне ГО и имеет следующие функциональные
узлы:
- сцинтилляционная годоскопическая триггерная система (ГС);
- сцинтилляционный калориметр (СК);
- система антисовпадений (САС);
- система амплитудного анализа импульсов (САИ);
- система сбора и обработки данных (ССОД);
- система электропитания и управления (СЭУ);
- автоматическая система обеспечения теплового режима (АСОТР).
3.2.3 Назначение и состав функциональных узлов БД
ГС
предназначена
для
формирования
триггерного
сигнала
и
определения углов прилета зарегистрированных частиц.
СК
состоит
из
набора
слоев
пластических
сцинтилляционных
детекторов по измерению и анализу энерговыделения при прохождении
частицей вещества.
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 12
САС состоит из нижнего детектора и служит для исключения из
регистрации фоновых частиц, движущихся в направлении противоположном
исследуемому (снизу вверх).
САИ предназначена для измерения амплитуд импульсов с отдельных
слоев калориметра при регистрации частиц.
Система сбора и обработки данных содержит микропроцессорную
систему для сбора и обработки информации, которая затем в сжатом виде
передает данные в БУ.
Система электропитания и управления служит для преобразования
бортового напряжения в набор напряжений, необходимых для работы
различных систем БД, защиты цепей от перегрузки и изменения режимов
работы БД по командам БУ.
АСОТР состоит из автономных средств электрообогрева, радиационных
поверхностей на корпусе БД, экранно-вакуумной тепловой изоляции. АСОТР
предназначена для обеспечения поддержания заданного температурного
режима на элементах БД в условиях летной эксплуатации.
3.2.4 БУ располагается внутри ГО и имеет следующие функциональные
узлы:
- система накопления данных;
- система электропитания и управления (СЭУ).
3.2.5 Назначение и состав функциональных узлов БУ
Система накопления данных представляет собой массовую память и
микропроцессорную систему для ежедневного сбора данных с БД с
последующей трансляцией в ИУС и СБИ.
СЭУ служит для преобразования бортового напряжения в набор
напряжений, необходимых для работы систем БУ, защиты цепей от перегрузки
и изменения режимов работы БД по командам с Земли или в автоматическом
режиме.
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 13
3.3 Технические требования к характеристикам НА
Спектрометр-телескоп должен удовлетворять следующим требованиям:
- обеспечивать идентификацию электронов;
- состоять из 2 блоков:
- БД;
- БУ;
- БД:
- энергетический диапазон для электронов, МэВ
от 2 до 15;
- угловое разрешение, град.
не хуже 10;
- энергетическое разрешение для электронов, %
не хуже 10;
- светосила, см2ср
не менее 10;
- апертура, град.
не менее 40;
- масса, кг
не более 20;
- габариты, мм
не более 350350300;
- энергопотребление, Вт
не более 40;
- БУ:
- масса, кг
- габариты, мм
не более 10;
не более 300200100;
- энергопотребление, Вт
не более 10;
- объем ЗУ для накопления информации, Мбайт
до 112;
- объем передаваемой информации в ИУС, Мб/сутки
до 48;
- объем передаваемой информации в СБИ, Мб/сутки
до 8.
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 14
4 Требования к средствам обеспечения КЭ
4.1.1 Для обеспечения сопровождения эксперимента при проведении КЭ
в качестве наземного комплекса должен использоваться КДИ-образец
аппаратуры «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН».
4.1.2 Для временного хранения цифровой научной информации по КЭ
должно быть предусмотрено выделение дискового пространства на бортовом
лэптопе (необходимый объем памяти для хранения данных ~2-3 Гб).
При проведении КЭ должна быть предусмотрена возможность передачи
массива цифровой информации (объем информации около 48 Мб/сутки с
использованием сжатия) ежедневно с РС МКС на Землю.
После получения на Земле, файлы с данными по КЭ из лэптопа могут
быть удалены.
4.1.3 В
случае
отсутствия
технической
возможности
выполнить
требования п.4.1.2 в полном объеме, должна быть предусмотрена возможность
оперативного сброса цифровой информации до 8 Мб/сутки (при наличии
ресурсов) средствами СБИ.
4.1.4 Необходимы сеансы радиопереговоров с экипажем МКС в
процессе монтажа НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН».
4.1.5 Наземная оперативная работа в ходе выполнения КЭ должна
обеспечиваться специалистами ГОГУ с участием специалистов МИФИ и
РКК «Энергия».
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 15
5 Требования к наземной подготовке КЭ
5.1 Порядок и сроки разработки, изготовления, испытаний и
поставки НА
Разработка
аппаратуры
должна
производится
в
соответствии
с
требованиями настоящего ТЗ, ТЗ на разработку и изготовление НА, положений
НА-99, П 32958-106 и П 32928-103 и включать следующие этапы:
- разработка и выпуск ТЗ на НА - срок 30.08.07 г.;
- разработка и выпуск ЭП на НА - срок 30.11.07 г.;
- разработка РД - срок 30.04.08 г.;
- изготовление узлов опытного образца - срок 30.07.08 г.;
- проведение ЛОИ - срок 30.09.08 г.;
- разработка КД, включая КД на КИА - срок 30.11.08 г.;
- изготовление образца для КДИ - срок 30.06.09 г.;
- изготовление КИА - срок 30.06.09 г.;
- проведение КДИ и СпИ - срок 30.09.09 г.;
- проведение испытаний на НКО и КС с образцом для КДИ - срок
30.11.09 г.;
- корректировка КД (при необходимости) - срок 30.01.10 г.;
- изготовление и поставка макета для испытаний в ГЛ - срок 30.05.10 г.;
- проведение тренировок экипажа в ГЛ - срок 30.11.10 г.;
- изготовление ЛК и проведение ПСИ - 30.08.10 г.;
- подготовка пакета данных по безопасности - срок 30.08.10 г.;
- поставка ЛК и проведение КИ на КС - срок 30.09.10 г.;
- проведение предполетной подготовки на ТК - срок 30.11.10 г.;
- разработка
программно-математического
обеспечения
для
предварительной обработки научных данных - срок 30.11.10 г.
5.2 Основные программные и методические документы по КЭ
При подготовке КЭ должны быть выпущены следующие программные и
методические документы:
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 16
- программа проведения КЭ;
- методика проведения КЭ;
- бортовая инструкция по проведению КЭ.
5.3 Перечень средств обработки полученных материалов, а также
сроки
разработки
математического
обеспечения,
необходимого
для
проведения расчетов во время подготовки сеанса КЭ и обработке
полученных материалов
При подготовке наземных и аппаратных средств для обеспечения КЭ
проводятся следующие работы:
- разработка и выпуск ПМ по обработке измерений НА;
- разработка
аппаратных
средств
и
специального
программно-
математического обеспечения для обработки и анализа данных КЭ;
- поддержка аппаратных средств наземного обеспечения и специального
программно-математического обеспечения.
Срок подготовки составляет около 1 года.
Сроки будут уточняться в процессе разработки в зависимости от объема
и порядка финансирования работ.
5.4 Перечень основных работ по наземной подготовке КЭ
При проведении наземной подготовки КЭ должны быть выполнены
следующие работы:
- испытания в составе НКО;
- комплексные электрические испытания НА в составе РС МКС;
- тренировки экипажа с макетом НА в ГЛ ЦПК.
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 17
6 Технические требования к ПКК
6.1 Требования к ПКК
6.1.1 КЭ проводится на МЛМ или СМ РС МКС. Прибор выполнен в виде
двух блоков. БД НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» должен размещаться вне
гермоотсека. Количество вещества (элементов конструкции) в поле зрения НА
не должно быть более 0,5 г/см2. Другие случаи должны быть специально
рассмотрены и согласованы. Точность привязки осей НА к системе координат
КА - не хуже 2-3 угл. град. Наличие иллюминатора не требуется.
Для сопряжения БД с БУ необходимо два соединителя типа
ОСРСГСП50.
6.1.2 Требования к служебным системам РС МКС по обеспечению
выполнения задач КЭ
6.1.2.1 Должна
быть
обеспечена
возможность
подключения
НА
«АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН»:
- к СУБА в части:
- получения дискретных (релейных) команд;
- получения электропитания;
- к СУБА (ИУС) в части:
- получения КБВ;
- получения четырехбайтного командного слова;
- промежуточного хранения цифровой научной информации;
- сброса научной информации на Землю;
- к СБИ в части:
- контроля прохождения дискретных (релейных) команд;
- передачи на Землю информации с ТМ-датчиков;
- оперативного сброса научной информации на Землю.
6.1.2.2 Электропитание
НА
осуществляется
от
бортовой
сети
напряжением ( 28,550,,55 ) В. Питание НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» должно
производиться по четырем фидерам:
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 18
- Фидер 1 - обеспечивает питание блока БД;
- Фидеры 2 и 3 - обеспечивают питание АСОТР;
- Фидер 4 - обеспечивает питание блока БУ.
Мощность, потребляемая НА по каждому фидеру не должна превышать:
- Фидер 1
не более 14 Вт;
- Фидер 2
не более 12 Вт;
- Фидер 3
не более 12 Вт;
- Фидер 4
не более 6 Вт.
Номинальный ток:
- Фидер 1
не более 0,5 А;
- Фидер 2
не более 0,6 А;
- Фидер 3
не более 0,6 А;
- Фидер 4
не более 0,2 А.
Пусковой ток (длительностью не более 20 мс):
- Фидер 1
не более 2,5 А;
- Фидер 2
не более 3 А;
- Фидер 3
не более 3 А;
- Фидер 4
не более 1 А.
6.1.2.3 Для
управления
работой
НА
необходимо
8
дискретных
(релейных) команд, поступающих из СУБА в БУ дублированными сухими
контактами реле, в том числе:
- команды переключения режимов измерений - 2.
- команды управления резервом и дублированием - 6.
6.1.2.4 Обмен данными между БУ НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» и СУБА
(ИУС) осуществляется по каналу Ethernet.
Для управления НА ИУС должна обеспечивать выдачу одного
четырехбайтного
командного
слова.
Синхронизация
НА
по
времени
производится не реже 1-ого раза в сутки. ИУС должна обеспечивать
промежуточное хранение цифровой информации от НА объемом ~2-3 Гб.
Объем передаваемой информации на Землю не более 48 Мб/сутки.
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 19
Циклограмма сеансов связи согласуется дополнительно.
Объемы и процедура передачи на Землю научной информации могут
уточняться и согласуются отдельным протоколом.
6.1.2.5 Служебная
информация
поступает
с
ТМ-датчиков
(16 дискретных датчиков, 2 аналоговых, 4 температурных). СБИ должна
обеспечивать передачу на Землю информации с ТМ-датчиков, прохождении и
исполнении команд управления. Объем служебной ТМИ может уточняться и
должен быть согласован на стадии разработки ТЗ на НА.
6.1.2.6 Оперативный
сброс
научной
информации
на
Землю
осуществляется средствами СБИ до 8 Мб/сутки (при наличии ресурсов).
6.1.3 Требования к условиям функционирования НА на борту ПКК
Все требования к условиям функционирования аппаратуры на КА
выдвигаются в соответствии с нормами, установленными для эксплуатации
научной аппаратуры на борту ПКК в соответствии с П 32958-106.
Воздействия со стороны НА радиационного и вибрационного характера
отсутствуют.
Химических реактивов и газов в составе НА нет.
6.1.4 Перечень операций по монтажу и обслуживанию НА
6.1.4.1 Работы при ВнуКД по подготовке к проведению КЭ:
- демонтаж, распаковка при необходимости, перенос из ТГК «Прогресс»
в РС МКС и укладка на временное хранение доставляемого оборудования;
- сборка электрической схемы соединений НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» со
служебными системами, включая монтаж и подключение БУ.
6.1.4.2 Работы по подготовке к ВнеКД:
- монтаж БД НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» с переходным адаптером в
единый моноблок;
6.1.4.3 Работы при ВнеКД:
- транспортирование моноблока на место установки и установка его;
- прокладка и подключение кабелей НА к разъемам на фиксирующих
платах;
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 20
- демонтаж НА по окончании срока эксплуатации.
6.1.4.4 Технического обслуживания НА в полёте при нормальной работе
НА не требуется.
6.2 Требования к обеспечению расходуемыми материалами
Расходные материалы в эксперименте отсутствуют.
6.3 Требования к условиям проведения сеансов КЭ
6.3.1 Требования к внешним условиям
Требований по светотеневой обстановке нет. Радиосвязь в сеансе связи
не требуется.
6.3.2 Требования к направлению ориентации поля зрения НА в сеансах
КЭ, требования к точности ориентации и стабилизации ПКК
Специальных требований к режимам ориентации нет. Возможно
проведение измерений в ИСК, ОСК и др. Ось прибора должна быть направлена
перпендикулярно плоскости орбиты КА. В случае невозможности выполнить
п. 6.1.1 в полном объеме, допускается отклонение оси визирования НА в
плоскости перпендикулярной плоскости орбиты по направлению к зениту на
угол не превышающий 20 угл. град., а в плоскости местного горизонта на угол
±20 угл. град. Ориентации КА должны быть известными, с точностью не хуже
1 угл. град.
Возможна установка прибора на ориентируемой платформе.
6.3.3 Требования к временным характеристикам проведения сеансов КЭ
НА управляется с Земли, в случае нештатных ситуаций - экипажем. В
штатном режиме НА работает непрерывно.
6.3.4 Требования к точности привязки научной информации к системе
единого времени (СЕВ)
Необходима привязка данных измерений к времени СЕВ или к
московскому времени с точностью 5 мс.
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 21
6.3.5 Требования к основным операциям, выполняемым экипажем
К экипажу предъявляются требования, исходя из решения задач по
п.6.1.4.
В случае выхода НА из строя (определяется на основе анализа данных
ТМ-информации) работа с ней прекращается до выработки рекомендаций и
выдачи ИД разработчиками НА по проведению экипажем ремонтновосстановительных работ и тестовых включений.
6.3.6 Требования к орбите и точности знания положения ПКК во время
сеанса КЭ
Специальных требований к орбите не предъявляется. Точность знания
положения КА в географической системе координат должна быть не хуже
0,1 град.
6.4 Требования к экипажу ПКК
6.4.1 Перечень операций, возлагаемых на экипаж в орбитальном полете
Перечень операций, определяется в соответствии с п.6.1.4.
6.4.2 Состав учебно-тренировочных средств
6.4.2.1 Для практических работ на КС СМ и НКО используется образец
для КДИ НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН».
6.4.2.2 Для занятий экипажа на комплексном тренажере в ЦПК
используются макеты для ГЛ НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» и механического
интерфейса.
6.4.3 Порядок подготовки экипажа к проведению КЭ
6.4.3.1 Для
подготовки
экипажа
к
выполнению
КЭ
на
НА
«АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» необходимо планировать занятия экипажа в следующем
объеме:
- теоретическая подготовка и ознакомление с целями и задачами КЭ,
составом
аппаратуры,
местами
размещения,
методикой
установки
БД
НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» вне ГО РС МКС, методикой установки БУ
НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» в ГО и методикой монтажа кабелей внутри и вне
ГО;
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
- практическая
работа
с
аппаратурой:
сборка
Лист 22
БД
НА
«АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» с переходным адаптером в единый моноблок;
- отработка методики монтажа кабелей и БУ НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН»
внутри ГО на КС;
- занятия на комплексном тренажере РС МКС в РГНИИ ЦПК
им. Ю.А. Гагарина по отработке действий экипажа при ВнеКД по монтажу и
демонтажу оборудования с использованием тренажерных макетов аппаратуры
и макетов механического и электрического интерфейсов.
6.5 Требования к НКУ
6.5.1 Задачи комплекса при проведении КЭ
В ходе выполнения КЭ наземным комплексом управления решаются
следующие задачи:
- навигационно-баллистическое обеспечение измерений;
- формирование и выдача команд управления НА;
- обеспечение сброса и обработки ТМИ;
- организация
взаимодействия
между
группами
ГОГУ
и
постановщиками КЭ;
- анализ
контрольных
ТМ-параметров
и
оперативная
оценка
работоспособности НА;
- оперативный анализ служебной телеметрической информации от НА;
- оперативная выдача рекомендаций в случае возникновения нештатных
ситуаций в работе НА.
6.5.2 Требования к осуществлению контроля проведения сеансов КЭ
Контроль проведения сеансов со стороны НКУ не требуется.
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 23
7 Обязанности участников КЭ
7.1 Состав участников КЭ
Головная организация по постановке КЭ и разработке НА:
- Московский
инженерно-физический
институт
(государственный
университет).
Головная организация по реализации КЭ:
- ОАО РКК «Энергия» им. С.П. Королева.
Организации-соисполнители:
- ЭОЗ «Квант» при МИФИ;
- ЦУП;
- РГНИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина;
- СКБ КП ИКИ РАН (Таруса);
- ЗАО НПА СУРА;
- РОБИС КОНСАЛТИНГ.
7.2 Основные обязанности участников КЭ
Московский
инженерно-физический
институт
(государственный
университет) осуществляет научное руководство КЭ, проводит работы по
разработке и изготовлению НА, выполнению КЭ, обработке и анализу ТМИ и
научной информации.
ОАО РКК «Энергия» им. С.П. Королева выполняет проектную увязку,
работы по установке аппаратуры на борт МКС, сопровождение КЭ,
оперативный анализ телеметрических данных.
ЭОЗ «Квант» при МИФИ выполняет работы по изготовлению
аппаратуры.
ЦУП выделяет научную информацию НА для каждого сброса
информации на наземную станцию приема и передает ее постановщику КЭ, а
также сопровождает научную информацию расчетными баллистическими
данными, необходимыми постановщику КЭ и отраженными в заявке на
планирование.
7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Лист 24
РГНИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина обеспечивает подготовку и тренировку
экипажа к работам по установке НА на УРМ и по демонтажу НА после
завершения КЭ.
СКБ КП ИКИ РАН выполняет работы по разработке и изготовлению
отдельных электронных узлов прибора.
ЗАО НПА СУРА выполняет работы по разработке и изготовлению
конструкции прибора, систем терморегулирования и отдельных электронных
узлов прибора.
РОБИС
КОНСАЛТИНГ
выполняет
работы
по
разработке
и
изготовлению отдельных электронных узлов прибора, разработке ПМО.
Лист согласования
Подразделение
Фамилия
Подпись
Дата
Приложение 1
к 7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
Директор института
Космофизики МИФИ
________________ А.М. Гальпер
Научно-техническое обоснование КЭ
1 Актуальность
В настоящее время интенсивно проводятся исследования новых
атмосферных явлений, возникающих на больших высотах (вплоть до
ионосферных) над грозовыми облаками. К ним относятся «красные спрайты»,
«синие струи», «эльфы». Считается, что эти явления – та или иная форма
высотных электрических разрядов (Sentman D.D., Wescott E.M. Red spritesand
blue jets: high-altitude optical emissions linked to lightning. EOS, 1982, v. 77, no. 1,
1-24; Rodger C.J. Red sprites, upward lightning, and VLF perturbations. Rev.
Geophysics, 1999, v. 37, no. 3, 317-336). Хорошо известны спутниковые
наблюдения высотных атмосферных электрических разрядов в оптическом,
рентгеновском и гамма диапазонах (Fishman G.J., et. al. Discovery of intense
gamma-ray flashes of atmospheric origin. Science, 1994, 264, 1313). Однако, до сих
пор механизмы формирования перечисленных высотных атмосферных явлений
находятся в стадии изучения. Планируются новые эксперименты (в том числе и
на МКС), направленные на измерение всплесков излучения в оптическом,
ультрафиолетовом
и
гамма
диапазонах
(эксперимент
ИЗМИРАН
«Молния-гамма»; M. Sato, et. al. Continuous measurements of upper atmospheric
lightning discharges by EUSO, 29th International Cosmic Ray Conference, Pune,
2005, 00, 101-104). Одним из ключевых процессов в высотном разряде является
ускорение электронов вплоть до энергий порядка и более 10 МэВ. Ускоренные
электроны, взаимодействуя с остаточной атмосферой, вызывают целый
комплекс наблюдаемых нестационарных эффектов на больших высотах:
рентгеновские и гамма-всплески, ультрафиолетовое и оптическое свечение.
Однако до сих пор отсутствуют эксперименты по прямому наблюдению пучков
высокоэнергичных
разрядах. В
электронов,
настоящее
время
образуемых
готовится
в
высотных
эксперимент
электрических
по
косвенному
подтверждению существования таких электронов, основанный на наблюдении
перечисленного комплекса атмосферных эффектов в магнитно-сопряженной с
грозовым облаком областью (N.G. Lehtinen, et. al., Effects of thunderstorm driven
runaway electrons in the conjugate hemisphere: purple sprites, ionization
enhancements and gamma rays, Journal of Geophysical Research, 2005, in press). В
предлагаемом проекте «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» пучки ускоренных электронов
будут зарегистрированы непосредственно при их распространении вдоль
геомагнитной трубки из области генерации над грозовым облаком в
магнитосферу. Прямая регистрация пучков ускоренных электронов позволит
однозначно подтвердить существующие модели нестационарных высотных
атмосферных электрических явлений. Измерение энергетических спектров,
пространственных
и
питч-угловых
распределений
пучков
электронов,
накопление статистики таких наблюдений дадут возможность детально изучить
характеристики высотных электрических разрядов.
2 Объект исследований и задачи эксперимента
Объектом исследований данного проекта являются высокоэнергичные
электроны в диапазоне энергий от 2 МэВ до порядка 15 МэВ в магнитосфере
Земли. Предполагается провести прямую регистрацию частиц, выявить
всплески (пучки) частиц продолжительностью вплоть до 1 мс, определить их
энергетические спектры, питч-угловые распределения, измерить временные
профили с точностью порядка 1 мкс, определить пространственные размеры
пучков частиц. Особенно информативным для создания целостной картины
изучаемых явлений будут синхронные измерения потоков высокоэнергичных
электронов
совместно
с
потоками
гамма-излучения,
оптического
и
ультрафиолетового излучения, изучение которых планируется в экспериментах
на МКС.
2
3 Аппаратура для проведения эксперимента
Исследование пучков высокоэнергичных электронов длительностью
порядка миллисекунды предполагается провести с помощью спектрометрателескопа
высокоэнергичных
электронов,
построенного
на
основе
многослойной стопки годоскопических пластических сцинтилляционных
детекторов, отличающихся высоким быстродействием (время высвечивания –
порядка 1 нс). Такая детекторная система была разработана в институте
Космофизики МИФИ и уже успешно использовалась для разработки и создания
приборов, предназначенных для изучения существенно более длительных
явлений – всплесков высокоэнергичных электронов и протонов сейсмической,
магнитосферной и солнечной природы, длительность которых десятки секунд –
минуты, (Батищев А.Г., и др. «Аппаратура для регистрации всплесков
высокоэнергичных заряженных частиц в магнитосфере Земли». Приборы и
техника
эксперимента,
1999,
№5,
стр.
25;
Бакалдин
А.В.,
и
др.
«Экспериментальная аппаратура для регистрации всплесков высокоэнергичных
заряженных частиц в околоземном космическом пространстве». Известия
Академии Наук, серия физическая, 2005, т. 69, №6, стр. 918). Один из
разработанных приборов будет установлен на Служебном модуле РС МКС для
проведения эксперимента «ВСПЛЕСК» с целью мониторинга предвестников
землетрясений.
Ограничения на быстродействие научной аппаратуры в данном случае
накладываются временными характеристиками электроники, используемой для
сбора и обработки информации с детекторной системы.
Разработка и применение новых электронных систем в спектрометретелескопе
«АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН»,
быстродействующей
элементной
построенных
базе
позволит
на
существующей
достичь
временных
характеристик, необходимых для регистрации пучков ускоренных в высотных
атмосферных разрядах электронов.
Принцип выделения (идентификации) электронов в общем потоке
высокоэнергичных заряженных частиц (в основном, протонов) основан на
3
измерении энерговыделений в сцинтилляционных детекторах для каждой
остановившейся частицы в веществе прибора, определении ее пробега. Этот
метод обеспечивает надежную идентификацию электронов и эффективное
подавление фона (Батищев А.Г., и др. «Аппаратура для регистрации всплесков
высокоэнергичных заряженных частиц в магнитосфере Земли». Приборы и
техника эксперимента, 1999, №5, стр. 25). Энергии регистрируемых электронов
определяются по их пробегу в веществе прибора и по суммарному
энерговыделению в детекторной системе прибора.
4 Основные
физические
и
технические
характеристики
спектрометра-телескопа «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН»
Основные
характеристики
спектрометра-телескопа
«АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» представлены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1 - Физические характеристики
Наименование
Значение
Геометрический фактор, см2ср
10
Апертура, угл. град.
20
Угловое разрешение, угл. град.
не хуже 10
Энергетический диапазон, MэВ
от 2 до 15
Энергетическое разрешение, %
от 5 до 10
Временное разрешение, нс
30
Мертвое время, мкс
1
Таблица 2 - Предполагаемые технические характеристики
Наименование
Габариты, мм
Масса, кг
Энергопотребление, Вт
Напряжение питания, В
Значение
БД - 350х350х300
БУ - 300200100
БД - не более 20
БУ - не более 10
БД - не более 40
БУ - не более 10
28,5
4
БУ – внутри ГО
БД - вне ГО
не более 0,5
Установка
Количество вещества в апертуре, г/см2
Число команд управления
8
Число цифровых каналов
Продолжение таблицы 2
16
Наименование
Значение
Объем ЗУ, Мбайт/сут
до 112
Сброс информации в ИУС, Мб/сут
не более 48
Сброс информации в СБИ, Мб/сут
не более 8
5 Условия проведения измерений и ожидаемые результаты
Эксперимент предполагается проводить непрерывно в мониторинговом
режиме. Необходимое время проведения эксперимента – 3 года.
Для
эффективного
проведения
измерений
потоков
электронов
необходимо управлять ориентацией прибора в пространстве (относительно
силовых линий геомагнитного поля), при этом необходимо иметь точность
стабилизации его осей в пространстве не хуже 1 угл. град., или, по крайней
мере, иметь информацию об ориентации осей прибора в пространстве с той же
точностью. Поэтому желательно установить прибор на ориентируемую
платформу, обеспечивающую двухосную ориентацию.
За время проведения эксперимента ожидается зарегистрировать порядка
50-100
событий
(пучков
высокоэнергичных
электронов),
связанных
с
высотными электрическими разрядами. При этом для каждого события будут
определены энергетические спектры, питч-угловые и пространственные
распределения частиц, временные профили.
Зав. лабораторией института
Космофизики МИФИ
_________________ С.В. Колдашов
5
Приложение 1
к 7КБ 150.00.00.000 ТЗ1
УТВЕРЖДАЮ
УТВЕРЖДАЮ
Руководитель НТЦ-1Ц
Руководитель НТЦ-7Ц
__________И.И. Хамиц
__________А.В. Марков
«___» __________ 2007 г.
«___» __________ 2007 г.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ №072-5/3-07 от 28.02.07
о технической реализуемости космического эксперимента (КЭ)
«АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН»
Космический эксперимент «Исследование пучков высокоэнергичных
электронов, генерируемых грозовой активностью, в магнитосфере Земли»
(шифр – «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН») является долгосрочным экспериментом и
предполагается выполнять в рамках российской программы НПИ по
направлению «Геофизические исследования» на основании решения секции
№ 2 КНТС ФКА от 08.12.2005г.
Постановщиком
КЭ
«АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН»
является
Московский
инженерно-физический институт.
1 Целью КЭ «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» является исследование физической
природы нестационарных явлений в верхней атмосфере, связанных с грозовой
активностью («спрайты», «синие струи», «эльфы»). Выявление механизмов
формирования
электрических
пучков
высокоэнергичных
разрядах,
изучение
электронов
процессов
в
высотных
пространственного
распространения и временной эволюции таких пучков частиц в магнитосфере
Земли.
2 Для
реализации
КЭ
предназначена
«АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН», которая включает в себя:
- Блок детекторов (БД);
- Блок управления (БУ).
научная
аппаратура
3 Средства монтажа научной аппаратуры на РС МКС должны включать:
- Комплект кабелей;
- Механический адаптер.
4 К компоновке и установке аппаратуры «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» на МЛМ
или СМ РС МКС предъявляются следующие требования:
- БД устанавливается вне ГО при помощи механического адаптера.
Количество вещества (элементов конструкции) в поле зрения НА не должно
быть более 0,5 г/см2. Точность привязки осей БД к системе координат МКС - не
хуже 2-3 угл. град.;
- БД устанавливается так, чтобы его ось визирования была направлена
перпендикулярно плоскости орбиты МКС в ОСК (другие варианты ориентации
согласуются дополнительно). В случае невозможности выполнить это условие в
полном объеме, допускается отклонение оси визирования БД в плоскости
перпендикулярной плоскости орбиты по направлению к зениту на угол не
превышающий 20 угл. град., а в плоскости местного горизонта на угол
±20 угл. град.
- БУ устанавливается внутри ГО;
- Электрические связи между БД и БУ, а также подключение БУ к
служебным системам РС МКС осуществляются при помощи комплекта
кабелей.
5 Ориентации МКС при проведении КЭ должны быть известными, с
точностью не хуже 1 угл. град. Точность знания положения МКС в
географической системе координат должна быть не хуже 0,1 град.
Возможна установка НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» на ориентируемой
платформе.
6 Время реализации КЭ с использованием НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН»
предварительно определено 3 года в режиме мониторинга.
7 При проведении КЭ «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» со стороны РС МКС
задействуются следующие системы:
- СУБА в части:
- обеспечения
электропитанием
–
4
фидера
(потребляемая
мощность не более 50 Вт);
- выдачей 8 дискретных (релейных) команд);
2
- СУБА (ИУС) в части:
- взаимодействия с НА по каналу Ethernet – синхронизации по
времени и выдачи четырехбайтного командного слова;
- промежуточного хранения цифровой научной информации (~23 Гб) и сброс ее на Землю (до 48 Мб/сутки));
- СБИ в части:
- получения квитанций о прохождении 8 дискретных (релейных)
команд;
- передачи на Землю информации с ТМ-датчиков (16 дискретных,
2 аналоговых, 4 температурных);
- оперативного сброса НИ на Землю (до 8 Мб/сутки).
8 Финансирование разработки и изготовления НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН»
предусматривается в рамках ОКР «МКС - Эксперименты».
9 Для обеспечения подготовки и реализации КЭ с использованием
НА
«АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН»
РКК
«Энергия»
обеспечивает
выполнение
следующих работ:
- разработка программы полета;
- согласование ТЗ на КЭ;
- разработка ТЗ на НА;
- разработка и согласование РД на аппаратуру;
- участие в проведении автономных и комплексных испытаний
аппаратуры;
- участие в подготовке экипажей в части работы с аппаратурой;
- обеспечение предполетной подготовки на ТК;
- доставка материальной части КЭ на РС МКС;
- планирование и сопровождение КЭ на РС МКС в соответствии с
программой полета.
10 Результаты проработки технической возможности реализации КЭ с
использованием НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН».
10.1 Анализ возможности интеграции научной аппаратуры «АЛЬФАЭЛЕКТРОН» в состав РС МКС показал следующее:
10.1.1 Одним из вариантов установки БД НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» на
внешней поверхности СМ является место установки НА «ВСПЛЕСК», что
3
возможно после окончания КЭ «ВСПЛЕСК» и с использованием ранее
выделенных для него ресурсов СМ РС МКС. Окончательное место установки
БД НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» может уточняться при появлении иных мест
установки
и
освобождения
ресурсов
СМ,
используемых
в
других
экспериментах, и определяется на этапе принятия решения о введении НА в
состав КЦН СМ РС МКС.
10.1.2 Размещение БД НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» вне ГО МЛМ
возможно на одном из планируемых УРМ.
10.1.3 Размещение БУ НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» внутри ГО СМ или
МЛМ определяется на этапе эскизного проектирования.
10.2 Для подготовки и реализации КЭ «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» с
использованием
НА
«АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН»
необходимо
проведение
следующих работ, требующих выделения части общих ресурсов МКС:
- доставка на борт РС МКС с помощью ТГК «Прогресс-М» до 60 кг
оборудования;
- работа космонавтов в ГО станции по подготовке к проведению КЭ
составит 8 ч, включая перенос из ТГК «Прогресс» и укладку на временное
хранение, монтаж блока управления НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» и внутренних
кабелей;
- работа космонавтов вне ГО станции по монтажу блока детекторов,
составит 3 ч, включая перенос к месту монтажа, монтаж блока детекторов НА
«АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН», прокладку и подключение внешних кабелей;
- эксплуатация оборудования на РС МКС в течение 3-х лет;
- максимальная потребляемая мощность БД, включая АСОТР, до 40 Вт,
БУ до 10 Вт;
- передача научной информации на Землю средствами ИУС до
48 Мб/сутки, оперативный сброс научной информации средствами СБИ до
8 Мб/сутки;
- выделение дискового пространства на вычислительных средствах ИУС
и бортового лэптопа до 2-3 Гб.
4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ: космический эксперимент «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН»
может быть реализован на РС МКС в период 2010 - 2013 года при условии
соблюдения вышеперечисленных условий, выделения части общих ресурсов
МКС и выполнения указанных работ (п.10.2), финансирования работ по
созданию НА «АЛЬФА-ЭЛЕКТРОН» и осуществления поставки оборудования
в установленные сроки – не позднее 30.09.10 г.
Начальник отдела 072
____________ В.П. Коношенко
Начальник отдела 071
____________ И.В. Сорокин
Начальник отдела 073
____________ М.Ю. Беляев
Начальник отдела 106
____________ А.Г. Бидеев
Начальник отдела 036
____________ Д.Б. Путан
Начальник отдела 318
____________ В.Д. Зиновьев
5