„Interball” ( ing. Interball ) - un proiect științific internațional pentru studierea interacțiunii magnetosferei Pământului cu vântul solar , realizat în 1995-2000 [1] . Ca parte a proiectului, au fost lansate patru nave spațiale cu două lansări : Interball-1 rusesc și Magion-4 ceh au explorat regiunile exterioare ale magnetosferei, iar Interball-2 și Magion-5 au explorat regiunile polare ale magnetosferei interioare. și ionosferă . Rezultatele obținute în timpul proiectului au schimbat în mare măsură înțelegerea mecanismului relațiilor solar-terestre și continuă să fie utilizate de comunitatea științifică mondială.[2] .
Organizația principală a proiectului Interball a fost Institutul de Cercetare Spațială al Academiei Ruse de Științe , participanții principali au fost instituțiile științifice și de învățământ din Austria , Bulgaria , Marea Britanie , Ungaria , Germania , Italia , Canada , Kârgâzstan , Cuba , Polonia , România , Slovacia , Ucraina , Finlanda , Franţa , Cehia , Suedia . Cercetările asupra proiectului au fost realizate în strânsă coordonare cu proiectele NASA , Agenția Spațială Europeană , Agenția Japoneză de Explorare Aerospațială [3] .
Ideea unui proiect satelit, care face posibilă atât studierea dinamicii globale a magnetosferei, cât și studierea în detaliu a fenomenelor și structurilor sale individuale, a apărut la sfârșitul anilor 1970 [4] în timpul pregătirii experimentului sovieto-cehoslovac. Intershock a fost lansat în 1985 în cadrul programului Interkosmos , în care au fost efectuate studii ale structurii fine a undei de șoc din apropierea Pământului și a magnetopauzei [5] . Noul proiect a planificat realizarea de studii interconectate simultane în diferite zone ale magnetosferei și utilizarea măsurătorilor multipunct prin satelit, care să permită distingerea între variațiile temporale și spațiale ale fenomenelor studiate [6] . A fost posibilă implementarea acestor idei în proiectul internațional „Interball” abia zece ani mai târziu, în primul rând din motive financiare [2] .
Proiectul Interball, desfășurat prin cooperarea organizațiilor științifice din diferite țări sub supravegherea generală a Institutului de Cercetare Spațială al Academiei Ruse de Științe , nu numai că și-a îndeplinit programul, ci a devenit și o parte importantă a unui program mai larg de studiere a energiei solare . -relațiile terestre efectuate în anii 1990-2000 sub coordonarea grupului internațional IACG ( Inter-Agency Consultative Group for Space Science ) [7] și au inclus atât măsurători la sol la o rețea de stații situate pe tot globul, cât și observații prin satelit pe următoarea navă spațială [8] [9] :
Scopul proiectului Interball a fost de a stabili și studia relațiile cauză-efect dintre vântul solar , procesele active din magnetotail [comm. 1] și fenomene din regiunile sale polare ( aurorale ) [comm. 2] . Procesele plasmatice din spațiul apropiat al Pământului, care generează furtuni magnetice , fascicule de particule accelerate în ionosferă și magnetosferă, fenomene aurorale și emisii de unde radio , depind de aceste conexiuni . Perturbațiile puternice din magnetosferă și ionosferă provoacă interferențe radio și afectează funcționarea navelor spațiale, induc curenți paraziți pe conductele lungi și liniile electrice , în special la latitudini mari, și pot perturba funcționarea acestora . Se presupune influența proceselor magnetosferice asupra fenomenelor climatice și a obiectelor biologice [3] .
În cursul cercetărilor efectuate de nava spațială a proiectului Interball, au fost studiate următoarele procese [9] :
Pentru a efectua cercetări în cadrul proiectului, au fost lansate două sonde, fiecare dintre acestea incluzând o pereche de satelit principal și un sub-satelit, care s-au separat după lansare și au urmat o orbită la o distanță controlată [3] :
Principalii sateliți „Interball-1” și „Interball-2” au fost construiți în NPO. Lavochkin pe baza dispozitivelor din seria Prognoz și a transportat echipamente științifice fabricate în diferite țări care participă la experiment. Echipamentele acestor sateliți au efectuat principalele măsurători în conformitate cu programul de cercetare [12] . În special pentru implementarea proiectului Interball, a fost creată o nouă modificare a dispozitivelor din seria Prognoz, care a primit denumirea de fabrică SO-M2 (Prognoz-M2). Cu ajutorul unei unități structurale speciale, numărul instrumentelor instalate la bordul satelitului a fost dublat. A fost actualizat sistemul de alimentare cu energie , care a inclus panouri solare rezistente la radiații cu o durată de viață extinsă, baterii mai încăpătoare și un nou complex de automatizare. Acest lucru a mărit durata de viață estimată a satelitului de la șase la zece luni la doi până la cinci ani [13] . Pentru a crește durata de viață a dispozitivelor, pentru prima dată în practica casnică, au fost luate măsuri de egalizare a potențialelor electrice de pe suprafața acestora. Sarcinile electrice dobândite de diferite părți ale satelitului la trecerea prin centurile de radiații pot duce nu numai la degradarea accelerată a panourilor solare, ci și la apariția descărcărilor care dezactivează echipamentul. Pe sateliții Interball s-a aplicat o metalizare continuă a suprafeței acestora și a panourilor solare, precum și acoperirea părților expuse cu vopsea conductoare electric [14] . Aceste măsuri au contribuit și la reducerea impactului exercitat de satelit asupra distribuției potențialelor electrice în spațiul înconjurător, ceea ce a sporit acuratețea experimentelor [13] .
Sistemul de colectare, prelucrare și transmitere a informațiilor din instrumentele științifice a fost îmbunătățit semnificativ. Sarcinile proiectului au necesitat măsurarea câmpurilor magnetice slabe, în timp ce sateliții din familia Prognoz nu erau „curați magnetic”, a necesitat un sistem fiabil de filtrare a semnalelor utile ale magnetometrelor instalate pe sateliți de interferențele create de dispozitive. ei înșiși [15] . Pe lângă complexul radio spinal (MRK) „Prognozov”, care a funcționat în modul analogic , pe dispozitivele proiectului Interball a fost instalat un sistem digital de colectare a informațiilor științifice (SSNI), dezvoltat la IKI RAS și a făcut posibilă ambele transmit date în timp real și le înregistrează pe discuri magnetice pentru redarea ulterioară în timpul sesiunilor de comunicare [16] .
Subsateliții Magion-4 și Magion-5 create la Institutul de Fizică Atmosferică Academia Cehă de Științe , a transportat un set mai mic de echipamente pentru un scop similar și a efectuat măsurători cu o rezoluție mai mică și într-un volum mai mic. Subsateliții transmiteau date în formă analogică și digitală și aveau capacitatea de a scrie informații pe un dispozitiv de memorie semiconductor [17] . Utilizarea a doi sateliți pe fiecare orbită, urmărindu-se la distanță unul de celălalt și efectuând măsurători cu rezoluții diferite, a făcut posibilă determinarea variațiilor spațiale și temporale ale fenomenelor studiate [18] .
În conformitate cu sarcinile proiectului, sonda de coadă ca parte a sateliților Interball-1 și Magion-4 trebuia să traverseze regiunea stratului neutru [comm. 1] în magnetotail la o distanță de 70.000–100.000 km de Pământ, precum și pentru a efectua măsurători în regiunile vântului solar și magnetopauzei de pe flancurile magnetosferei și în partea de zi. Data lansării Interball-1 și orientarea orbitei sale au fost alese în așa fel încât traversarea foii de plasmă să aibă loc pe fiecare orbită de la jumătatea lunii septembrie până la jumătatea lunii martie anual. Perioada de revoluție a vehiculelor cu sonde de coadă a fost aleasă să fie o zi întreagă non-multiple, ceea ce a asigurat trecerea acestora peste toate longitudinile Pământului și acoperirea uniformă a observațiilor spațiale din apropierea Pământului [19] . Cea mai mare parte a experimentelor efectuate pe sonda de coadă a fost dedicată studierii parametrilor plasmei magnetosferice. În prima etapă a proiectului, înainte de lansarea sondei aurorale, au fost efectuate experimente comune cu nava spațială Geotail .și Vânt . S-a făcut o analiză a dezvoltării unei subfurtuni în mai multe regiuni ale magnetosferei simultan și s-au obținut noi date privind mecanismul de apariție a subfurtunii. În magnetotail, la o distanță de aproximativ 10 raze Pământului, a fost înregistrat un flux de particule, care nu se reflectă în schemele existente ale centurilor de radiații. O modificare a proprietăților mediului apropiat de Pământ a fost detectată în timpul injectării de fascicule de electroni și plasmă de la stația orbitală Mir , efectuată în momentele în care Interball-1 se afla pe aceeași linie de câmp magnetic cu stația, la distanță. de 25.000–30.000 km de acesta [4 ] [20] .
Interball-1La bordul navei spațiale Interball-1 ( Prognoz -11) au fost instalate șase instrumente pentru studiul proceselor din plasma din apropierea Pământului, șase instrumente pentru studiul câmpurilor magnetice și electrice și trei instrumente pentru studiul razelor cosmice și X. În plus, pe acesta au fost instalate echipamente pentru a determina poziția relativă cu subsatelitul Magion-4 și un set de instrumente, tradiționale pentru sateliții din seria Prognoz , pentru măsurarea situației radiațiilor în spațiul apropiat al Pământului [9] . Cu o perioadă de lucru stabilită de doi ani, Interball-1 a funcționat și a transmis date științifice timp de mai bine de cinci ani, până la deorbitare în octombrie 2000 [18] .
Magion-4Echipamentul științific al subsatelitului Magion-4 includea patru instrumente pentru studiul undelor și câmpurilor electrice și magnetice, trei instrumente pentru studiul proceselor cu plasmă, un detector de particule de înaltă energie și un fotometru cu raze X [21] . Subsatelitul Magion-4 a funcționat timp de aproximativ doi ani înainte ca bateriile să se defecteze . După aceea, de ceva timp, dispozitivul a funcționat numai cu putere de la panouri solare , dar din cauza unui scurtcircuit în baterie, tensiunea de pe placa sa a scăzut sub minimul permis. Ultima sesiune de comunicare completă cu Magion-4 a avut loc în septembrie 1997, din februarie 1998, lucrul cu acesta a fost complet oprit. În acest timp, o mare cantitate de experimente comune cu Interball-1 a fost efectuată pe Magion-4 [14] .
Orbita sateliților sondei aurorale le-a asigurat șederea îndelungată la o altitudine de 12.000–19.000 km în regiunea cuspidului polar [com. 3] - o pâlnie formată din liniile de forță ale câmpului magnetic al Pământului deasupra polului magnetic nord , unde particulele vântului solar pot pătrunde liber [22] . Cu ajutorul instrumentelor sondei aurorale, conexiunea fenomenelor locale din regiunea aurorală cu procesele din coadă, unde se află „mecanismul de declanșare” al furtunilor magnetice și al altor procese la scară largă din magnetosferă [23] . Data și ora lansării sondei aurorale au fost alese astfel încât navele sale spațiale să se găsească destul de des în puncte conjugate magnetic (pe aceeași linie de forță a câmpului magnetic al Pământului) cu sonda de coadă. Perioada orbitală, ca și pentru sonda de coadă, a fost aleasă pentru a asigura trecerea peste toate longitudinile Pământului [19] . Atenția principală a fost acordată studiului undelor și câmpurilor electrice și magnetice. Sarcini separate ale sondei aurorale au fost observațiile optice ale fenomenelor aurorale în diferite intervale și studiul emisiilor radio aurorale kilometrice ., care apar în zona subpolară la o înălțime de una până la trei raze ale Pământului. Au fost efectuate experimente comune cu standul de încălzire norvegian EISCAT, a fost studiat efectul radiației HF de mare putere de la stand asupra proceselor din plasma magnetosferică [20] .
Interball-2Pe Interball-2 au fost instalate trei instrumente pentru studiul plasmei aurorale, trei pentru plasmă de înaltă temperatură (termică), patru instrumente pentru înregistrarea și studiul undelor VLF , un magnetometru cu trei componente , un dispozitiv pentru detectarea și studierea fluxurilor de energie înaltă (Prognoz). -12) electroni , un mijloc de observare a aurorelor în domeniul ultraviolet și măsurarea spectrului lor în liniile de emisie de oxigen . De asemenea, în timpul zborului dispozitivului, au fost efectuate măsurători dozimetrice și experimente pentru a compara diferite tipuri de baterii solare.
„Interball-2” a funcționat în cele mai dificile condiții de radiație, petrecând jumătate din timp în zonele cele mai dificile ale centurilor de radiații ale Pământului, așa că au fost luate măsuri suplimentare pentru a asigura fiabilitatea echipamentului. În echipamentul satelit a fost inclus un generator de fascicule ionice , ceea ce a făcut posibilă controlul potențialului electric al acestuia [23] . Pe lângă complexul radio spinal și sistemul digital de colectare a informațiilor științifice, a fost instalat un sistem de suport tehnic analog-digital STO-PA, care transmite informații în bandă largă de la unele dintre instrumente în timp real [13] .
În primele zile ale zborului Interball-2, a fost descoperită instabilitatea poziției sale, cauzată atât de perturbații apărute pe o orbită joasă față de alte Prognoz , cât și de erori în calcularea dinamicii dispozitivului. A fost propusă și implementată prompt o schemă cu amortizarea perturbațiilor de către pulsurile motoarelor de control al atitudinii, dar aceasta a dus la un consum accelerat al rezervelor de fluid de lucru. După un an și jumătate de zbor Interball-2, aparatul s-a depresurizat cu o încălcare a izolației ecran-vid și temperatura la bord a început să crească. În general, aparatul a rămas operațional, dar unele dintre instrumentele științifice și sistemul STO-PA au trebuit să fie oprite. Până la sfârșitul anului 1998, aprovizionarea cu gaz comprimat folosit în propulsoarele de atitudine s-a epuizat și a devenit imposibilă menținerea axei aparatului pe Soare pentru a asigura iluminarea optimă a bateriilor solare [14] . În această stare, Interball-2 a continuat să opereze și să transmită date științifice limitate până la sfârșitul anului 1999 [24] .
Magion-5Compoziția complexului de echipamente științifice Magion-5, similar ca design cu subsatelitul Magion-4, a inclus trei instrumente pentru studiul undelor și câmpurilor VLF, două magnetometre cu trei componente cu limite de măsurare diferite, un detector de flux de plasmă și un parametru de plasmă rece. contor, două instrumente pentru măsurarea spectrelor energetice ale particulelor încărcate, o cameră video cu două canale (domeniul vizibil și IR) pentru înregistrarea aurorelor [25] .
Comunicarea cu subsatelitul Magion-5 a fost pierdută imediat după lansare din cauza unei defecțiuni a sistemului său de alimentare . După 20 de luni, în mai 1998, lucrarea Magion-5 a fost reluată [26] . Până atunci, doar Interball-2 a funcționat ca parte a sondei aurorale. După oprirea Interball-2 în ianuarie 2000, sub-satelitul Magion-5 a continuat să funcționeze pe orbita sondei aurorale și a transmis date în totalitate până la jumătatea anului 2001, după care, din cauza încetării furnizării de gaze pentru sistem de propulsie, a devenit imposibilă menținerea lui orientarea către Soare și iluminarea optimă a panourilor solare. Lucrarea cu Magion-5 a fost în cele din urmă încheiată la începutul anului 2002 [27] [28] .
Capacitățile instrumentelor științifice instalate la bordul Interballs și cantitatea de date pe care le furnizează au depășit semnificativ capacitățile de stocare și transmitere a informațiilor furnizate de sistemele de satelit de la bord. În timpul implementării proiectului Interball, IKI RAS a creat un sistem fundamental nou, reprogramabil în timpul zborului pentru colectarea informațiilor științifice (SSNI), care stochează informații pe hard disk-uri cu un volum total de 160 MB . Viteza de reproducere a informațiilor SSRS a fost crescută de mai multe ori în comparație cu legătura radio standard a satelitului. În timpul sesiunilor de comunicare desfășurate în timpul zborului, s-a constatat că această viteză a fost și insuficientă, prin reprogramarea SSNS și a sistemelor terestre, s-a mărit și mai mult de la proiectarea 64 kbps la 250 kbps, ceea ce a reprezentat un indicator remarcabil pentru sateliții de cercetare în acelea. ani. Acest lucru a făcut posibilă reducerea drastică a timpului de redare a informațiilor și creșterea cantității de date transmise. Pe satelitul Interball-2, care a efectuat un număr mare de măsurători de unde , pe lângă SSNI, a fost instalat și sistemul STO-AP, care transmitea datele analogice ale acestor măsurători într-un mod de transmisie directă în bandă largă. A fost crescută și cantitatea de informații transmise navei spațiale, ceea ce a făcut posibilă actualizarea programelor de lucru ale instrumentelor științifice și controlul constant al modurilor acestora în timpul zborului [16] . Pe parcursul proiectului, cea mai mare parte a informațiilor științifice, aproximativ 90%, a fost obținută prin intermediul SSNI și STO-AP. Aproximativ 10% a scăzut la ponderea complexului radio principal (RTO) obișnuit al dispozitivelor. În același timp, pierderea datelor transmise prin SSNI a fost nesemnificativă, mai mică de 0,01%, în timp ce datele RTO au avut un număr mare de defecțiuni, doar jumătate din informațiile transmise prin RTO au avut o pierdere mai mică de 1% [14] .
O problemă importantă a fost protecția echipamentelor de la bord împotriva efectelor radiațiilor cosmice . Metodele tradiționale de protecție - scuturi metalice, alegerea componentelor electronice rezistente la radiații - nu au eliminat complet posibilitatea defecțiunilor cauzate de particule energetice. În plus, pentru a reduce costul și a accelera dezvoltarea, în fabricarea SSNI au fost utilizate componente standard în versiuni industriale, și nu în versiuni spațiale și militare, ceea ce ar putea reduce și mai mult fiabilitatea muncii. Trecerea frecventă a centurilor de radiații a fost luată în considerare în programul de zbor, iar unele dintre instrumente, care ar putea fi deteriorate în acest caz, au fost temporar oprite. SSNI trebuia să lucreze tot timpul. Au fost implementate măsuri de autoverificare software pentru a detecta și corecta erorile care apar în timpul funcționării SSNI [13] . Pe satelitul Interball-2, care a petrecut aproximativ jumătate din timp în centurile de radiații, deja în timpul zborului, procesorul SSNI de la bord a fost reprogramat în așa fel încât să fie executate simultan trei programe identice pe el, care, conform rezultatelor „ votarea ”, a detectat și corectat defecțiuni individuale în memoria celulelor [16] .
Pentru a controla zborul simultan a patru sateliți, a fost dezvoltat un software special. Controlul Interballs și recepția informațiilor științifice de la acestea s-a efectuat prin intermediul RNII KP de la NIP-16 lângă Evpatoria , echipat cu mai multe sisteme de antene puternice. Controlul subsateliților Magion și recepția informațiilor științifice de la aceștia au fost efectuate de la observatorul ceh Panska Ves[16] .
Interball a fost unul dintre primele proiecte spațiale care a implementat ideea de observații simultane folosind aceleași instrumente instalate pe vehicule diferite [2] . Timpul de funcționare a vehiculelor participante la proiect s-a dovedit a fi diferit, dar pe un interval de timp semnificativ a fost posibilă obținerea rezultatelor măsurătorilor din perechi de sateliți care funcționează simultan. Utilizarea satelitului principal și a subsatelitului care funcționează în perechi a făcut posibilă stabilirea ce schimbări în magnetosferă au loc în timp și care sunt înregistrate ca urmare a mișcării navei spațiale în spațiu [24] . Proiectul Interball a devenit unul dintre cele mai de succes programe sovietice și rusești de explorare a spațiului din apropierea Pământului. Cantitatea de date colectate în timpul proiectului depășește cantitatea totală de date privind fizica solar-terestră obținute în studiile efectuate anterior în URSS și în Rusia timp de aproximativ treizeci de ani. Pe parcursul proiectului au fost identificate și deficiențele metodelor utilizate, care au stimulat dezvoltarea în continuare a măsurătorilor multi-sateliți. În special, măsurătorile fiecăreia dintre sondele Interball au fost efectuate doar în două puncte, ceea ce a făcut imposibilă urmărirea dezvoltării proceselor studiate în spațiul tridimensional. Observarea tridimensională a proceselor din apropierea Pământului a fost implementată pentru prima dată de misiunea ESA „ Cluster II”, lansat în 2000 în cadrul programului de studiere a relațiilor solar-terestre IACG și care include patru dispozitive identice situate în spațiu sub formă de tetraedru [12] [20] , în 2007, studiile multisatelitice ale magnetosferei au fost continuate în Programul NASA THEMIS [ 6] .
Arhiva concentrată a programului Interball, stocată în IKI RAS , include peste 300 GB de date științifice. Informațiile de la sateliții proiectului sunt disponibile pentru comunitatea științifică internațională prin intermediul bazei de date mondiale a NASA Goddard Center . Pe baza datelor proiectului Interball, au fost publicate peste 500 de articole, dintre care o parte semnificativă a fost scrisă în cadrul cooperării internaționale. Rezultatele proiectului continuă să fie utilizate în activitatea științifică; le sunt dedicate mai multe numere speciale ale revistelor științifice ruse și internaționale din domeniul cercetării spațiale și al fizicii Pământului . Cercetările științifice desfășurate în cadrul proiectului Interball acoperă o gamă largă de probleme și includ sarcini geofizice proprii studierii structurii și dinamicii magnetosferei și ionosferei Pământului, aspecte fundamentale ale fizicii și astrofizicii plasmei , relația proceselor asupra Soarelui și în interplanetar. mediu cu " vreme spațială ", care afectează biosfera și activitatea umană [29] [18] .
În timpul implementării proiectului Interball, s-a acumulat o experiență valoroasă în crearea de nave spațiale care funcționează într-un mediu de radiații tensionate și metode de protejare a acestora de efectele particulelor încărcate energetic [14] . Metode software au fost dezvoltate și aplicate cu succes pentru a compensa defecțiunile hardware cauzate de radiația cosmică în complexul de informații de la bord [16] . O comparație a panourilor solare standard și rezistente la radiații, efectuată pe Interball-2, a arătat că gradul de degradare al panourilor noi în timpul zborului a fost de 20%, în timp ce panourile standard s-au degradat cu 70% [20] .
În continuarea cercetării relațiilor solar-terestre folosind sisteme multi-sateliți, a fost planificat proiectul ruso-ucrainean „Interball-Prognoz”, care ar fi trebuit să includă un grup de doi sau trei sateliți de lumină pe o orbită sincronă cu soarele. înălțime de aproximativ 600 km și un dispozitiv de clasă medie „Interball-3”, echipat cu propriul sistem de propulsie și care funcționează pe o orbită eliptică înaltă. „Interball-3” trebuia să efectueze măsurători în mediul interplanetar și în magnetosfera exterioară și să continue studiul fondului natural al radiației milimetrice , început în experimentul RELIKT-1 . Pentru a rezolva toate problemele științifice pentru Interball-3, a fost propusă o schemă complexă de zbor, cu lansarea inițială a punctului de librare L1 al sistemului Pământ-Lună pe o orbită halo pentru a studia vântul solar frontal, după care a trebuit să se transfere la o orbită eliptică în jurul Pământului cu un apogeu de 350 000 - 400 000 km și studiază procesele din magnetosferă, iar la sfârșitul programului zboară în jurul punctului L2, cel mai convenabil pentru măsurarea radiației cu microunde cu un nivel scăzut de zgomot. Acest proiect nu a fost implementat [30] [31] .
De la începutul anilor 2000, IKI RAS a început să pregătească experimentul internațional multisatelit „ Rezonanță ” pentru a studia magnetosfera interioară, care implică măsurători simultane de înaltă rezoluție pe patru sateliți mici MKA-FKI , lansați pe orbite extrem de eliptice [32] . Inițial, lansarea sateliților proiectului Resonance a fost planificată pentru 2012 [33] , apoi în 2017-2018 [34] , ulterior termenele au fost deplasate în continuare, lansarea proiectului fiind așteptată după 2025 [35] .
