Алексей Ковалев: российские спутники будут прогнозировать северные сияния

В начале 2021 года Россия запустила на орбиту первый спутник "Арктика-М" для мониторинга климата арктического региона. Для того, чтобы он мог собирать новые данные о Земле на уникальной высокоэллиптической орбите, его оснастили модернизированным гелиогеофизическим комплексом ГГАК-ВЭ. Конструктор бортовой аппаратуры этого комплекса, начальник отделения "Российских космических систем" Алексей Ковалев рассказал в интервью РИА Новости об особенностях нового прибора, перспективах развития арктической группировки российских спутников, а также о том, какие новые технологии применяются при их создании, и какие прогнозы можно делать с помощью новых космических аппаратов.

– Для чего нужен ГГАК-ВЭ на космических аппаратах "Арктика-М"?

– ГГАК-ВЭ нужен для прогноза "космической погоды", то есть отклонений магнитного и радиационного полей, вызванных активностью Солнца. Магнитное поле защищает Землю от космической радиации, а его изменения влияют на аппаратуру навигации, связи, авионики, на работу электроэнергетики, эксплуатацию трубопроводов, аэромагнитную съемку, бурение скважин, на радиационную безопасность при авиаперелетах, а также приводят к серьезным биомедицинским последствиям для человека.

– Как это проявляется?

– Наиболее часто это северные сияния в полярных областях. С точки зрения физики, заряженные частицы из космоса сталкиваются с ионами газов в верхних слоях атмосферы и ионосфере. Интенсивность их зависит от магнитного поля. Последствием таких магнитных бурь могут быть аварии энергосистем. Например, в 1989 году из-за мощного взрыва на Солнце большой объем ионизированного газа достиг Земли, образовав северное сияние, которое было видно вплоть до Техаса и Кубы. На фоне этого завораживающего явления, шесть миллионов жителей Квебека в Канаде оказались в темноте – энергосистема не справилась с перегрузкой, были выбиты все пробки, и 12 часов ее не могли восстановить.

Созданная в РКС бортовая аппаратура оперативно регистрирует изменения магнитного и радиационных полей, позволяет научиться предсказывать их возникновение и минимизировать их негативные последствия. В перспективе возможно создать систему аварийных предупреждений обо всех аномальных явлениях, которые зарождаются в космосе. С помощью проводимых в космосе измерений возможно будет даже оценивать вероятность появления северных сияний с прогнозом широт, на которых их можно наблюдать.

– Насколько долгосрочным может быть такой прогноз?

– Сегодня наша аппаратура дает опережающий прогноз данных на 4 часа, а в перспективе эта цифра может значительно вырасти – до периода в 2-4 суток.

– Как сегодня работает система, как собираются данные? На Землю они передаются в реальном времени?

– При мониторинге данные со спутника нужны в реальном времени. Для аппарата "Арктика-М" №1 такая опция доступна только на "рабочем" верхнем участке орбиты сложной эллиптической формы. Но измерения ведутся непрерывно, а накопленная информация передается на Землю, когда открывается "окно", при специальном высокоскоростном сбросе.

Когда система "Арктика" расширится до двух аппаратов, спутники будут следовать друг за другом в противофазе, непрерывно вести наблюдения за территорией России в полярных районах и непрерывно передавать данные. Такой объем позволит впервые в истории проводить оперативный полномасштабный мониторинг и делать прогноз как обычной, так и "космической" погоды в полярной зоне, то есть в зоне магнитного полюса.

Первые два аппарата должны работать с разнесением по орбите на 180 градусов, с рабочим участком, находящимся преимущественно над российской частью Северного Ледовитого океана. Орбита третьего и четвертого аппаратов будет такой же по форме, но в другой плоскости, для съемки и измерений уже над противоположной частью Северного Ледовитого океана – над территорией Канады и Гренландией.

Любопытно, что раньше эта орбита использовалась только для задач коммуникации и связи. Например, прямой телеэфир на территорию СССР в ходе Олимпиады-80 реализовывался с этой орбиты с использованием наземных поворотных антенн сети "Орбита". Сейчас для задач телевещания и связи используются спутники на геостационарной орбите, которые занимают постоянную точку вдоль экватора Земли и не требуют для приема сигнала поворотных антенн.

– Где на Земле обрабатывается переданная информация?

– Вся собранная информация направляется со спутника напрямую в институт Росгидромета – Институт прикладной геофизики, где декодируется и анализируется. Туда же передаются и данные со спутников на других орбитах, в том числе низкоорбитальных серии "Метеор-М" и геостанционарных серии "Электро-Л".

– Из каких приборов состоит гелиогеофизический аппаратурный комплекс ГГАК-ВЭ?

– Гелиогеофизический комплекс "Арктики" состоит из магнитометра, который каждую секунду проводит измерения магнитного поля на высоте орбиты, а также двух приборов контроля радиационной обстановки. Мозг комплекса – цифровой интерфейсный блок, обеспечивающий прием и исполнение команд, запись и передачу данных.

Аппаратура модернизирована, она получила больше измерительных диапазонов, чем гелиогеофизические аппаратурные комплексы для других орбит. Это позволяет получать большие объемы информации от "Арктики-М" №1.

– Какие измерения этот спутник будет проводить впервые?

– Нижняя часть витка "Арктики-М" проходит через неблагоприятную зону радиационных поясов Ван-Аллена. Это область ближайшего космического пространства, в которой накапливаются электроны и протоны, здесь самая жесткая радиация в околоземном пространстве. Другие космические аппараты летают либо ниже (МКС и наноспутники), либо выше этого пояса (спутники связи, навигации).

Регулярных данных и прямых измерений радиации в этих поясах крайне мало, наше оборудование позволит впервые получить данные в большом и регулярном объеме. Это даст качественный скачок в изучении явлений в самых агрессивных околоземных поясах для понимания физических процессов в окрестностях Земли.

– В чем новизна приборов ГГАК-ВЭ?

– Подобные приборы традиционно изготавливали академические организации. Для них это была непрофильная деятельность, и приборы создавались энтузиастами в единичных экземплярах. Изменить такой подход потребовалось после того, как в 2015 году была поставлена цель развертывания космических систем "Метеор-М", "Электро-Л" и "Арктика-М" из нескольких аппаратов (в рамках Федеральной космической программы 2015-2025).

С учетом производственных и испытательных мощностей, компетенции в проверках электронно-компонентной базы производство комплексов было поручено "Российским космическим системам". В результате изменена кооперация, обеспечивается одновременное производство нескольких комплексов.

– Какие гелиогеофизические приборы разрабатывались специально для этого спутника?

– Магнитометр для "Арктики-М" применен впервые, далее он будет устанавливаться на все перспективные российские метеорологические космические аппараты.

Большинство приборов этого гелиогеофизического комплекса являются разработками последних лет и уже используются на других космических аппаратах. Например, в 2019 и 2020 годах на спутниках "Метеор-М" №2-2 и "Электро-Л" №3 успешно прошли летные испытания блок накопления данных и детектор галактических космических лучей. В результате эти приборы унифицированы для всех российских метеорологических спутников.

– Какие перед вами стояли технические задачи?

– Одной из важнейших задач при производстве измерительных приборов стало метрологическое обеспечение работ. Это потребовало тщательного подхода к планированию наземных испытаний. В ведущих российских метрологических организациях была проведена калибровка всех измерительных приборов. Для этого были задействованы уникальные испытательные установки ВНИИМ им. Менделеева, ИЯФ СО РАН, ВНИИФТРИ. Для комплексов предыдущего поколения в полном объеме такие работы не финансировались и не проводились.

На спутнике большинство приборов термостабилизированы для обеспечения точности и долговременной работы регистрирующей аппаратуры, в том числе с использованием двухступенчатой системы обеспечения теплового режима. Два контура нагрева внутри и снаружи космического прибора существенно улучшают его точностные характеристики. К тому же это исключает преждевременную деградацию приборов из-за циклических перепадов температур.

– В надежности приборов уверены?

– На Земле невозможно полностью воспроизвести условия космического полета. Особенно это касается работы аппарата на эллиптической орбите, проходящей через агрессивные радиационные пояса. Испытания на Земле последовательно имитируют факторы, которые в космическом пространстве действуют одновременно. Либо создается глубокий вакуум и диапазон температур в условиях открытого космоса, либо имитируется солнечное излучение и радиация.

Сейчас "Арктика-М" №1 проходит летные испытания для подтверждения характеристик аппаратуры в реальных условиях полета до окончательной ее передачи потребителю – службам Росгидромета. Результаты этих испытаний позволят сделать окончательные выводы.

– Сколько эти приборы смогут проработать на орбите?

– Техническое задание с учетом специфики орбиты, проходящей через радиационные пояса, предполагает работу спутника в течение семи лет. При этом сегодня работают приборы комплекса ГГАК на космическом аппарате "Метеор-М" №1, запущенном еще в 2009 году. Расчетный срок службы превышен для них более чем в два раза. Механических и иных ограничений у нас нет, в том числе по расходу рабочего тела и газов.

– В каком направлении может пойти развитие оборудования?

– Общая текущая задача ближайших лет – развертывание полноценной группировки метеорологических космических аппаратов на трех орбитах. Три аппарата серии "Электро-Л" на геостационарной, четыре аппарата серии "Арктика-М" на эллиптической, и четыре аппарата серии "Метеор-М" на низкой орбите.