Космические аппараты для изучения солнечно-земных связей серии "Прогноз"

КА "Прогноз-1"   
Задачи научных исследований:

• получение данных о радиационной активности Солнца с целью обеспечения   необходимой   информацией   службы   радиационной безопасности;
• изучение физики солнечных вспышек и солнечных космических  лучей;
• изучение свойств межпланетной среды и взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли.

КА "Прогноз-2"
Задачи научных исследований: те же, что для КА 'Прогноз-1'. Дополнительно установлены приборы французского производства для проведения экспериментов по изучению характеристик солнечного ветра внешних областей магнитосферы - прибор "Калипсо", а также исследованию гамма-излучения Солнца и поиску нейтронов солнечного происхождения - прибор 'СНЕГ-1'.

КА "Прогноз-3"  
Задачи научных исследований: те же, что для КА 'Прогноз-1'.

КА "Прогноз-4"  
Задачи научных исследований: те же, что для КА 'Прогноз-1'. Существенно увеличено количество научных приборов и расширены научные исследования.

КА "Прогноз-5"
Задачи научных исследований: те же, что для КА 'Прогноз-1'. Установлена модернизированная более точная научная аппаратура, позволившая проводить более тонкие измерения, в том числе: изучение свойств межпланетной среды и взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли; концентрации, температуры, направления и скорости протонов; положение ударной волны, а также исследование холодной плазмы в магнитосфере Земли, электростатического ВЧ-поля в межпланетной плазме; нейтрального и ионизированного гелия в межпланетной среде. Продолжены измерения параметров и состава солнечного ветра с помощью французского прибора "Калипсо-2".

КА "Прогноз-6"
Задачи научных исследований те же, что для КА 'Прогноз-1'.Широко проводилась спектрометрия: рентгеновских лучей, протонов и ядер в релятивистской области, УФ-излучения, электронов в области высоких энергий с помощью французских приборов "Жемо-С2" и "СНЕГ-2МП"- гамма-спектрометров.

КА "Прогноз-7"
Задачи научных исследований те же, что для КА 'Прогноз-1': продолжение исследований радиационной активности Солнца, солнечной плазмы и межпланетной среды, проведение совместных экспериментов СССР по программе "Интеркосмос" с ЧССР - приборы "Плазмаг", РФ-2П; ВНР - прибор "Плазмаг"; Францией - приборы "СНЕГ-2МП", "Жемо-С2", "Галактика"; Швецией - прибор "Промикс". Увеличение состава научных приборов.

КА "Прогноз-8"
Основной научной задачей комплекса экспериментов являлось исследование тонкой структуры ударной волны и магнитопаузы, а также некоторые вопросы физики магнитосферы и солнечной активности. Для решения этих задач сочетались тонкие измерения характеристик околоземной плазмы с низкочастотными измерениями в диапазоне частот менее 10 герц. Использовался режим "непосредственной передачи" в момент пересечения магнитопаузы. Для решения задач на "Прогнозе-8" установлена научная аппаратура, изготовленная в СССР, ЧССР, ПНР, Швеции.

КА "Прогноз-9"
Научная программа в рамках международного проекта 'РЕЛИКТ' проводилась в следующем объеме:

• картографирование небесной сферы в диапазоне волн 8 мм;
• регистрация всплесков космического гамма-излучения в диапазоне энергий 20 кэВ - 1 МэВ;
• измерение рентгеновского излучения Солнца в диапазоне энергий 2 - 160 кэВ;
• измерение магнитных полей с напряженностью 0,2 - 60 гамм;
• исследование ультрафиолетового излучения;
• регистрация временных и спектральных характеристик солнечных рентгеновских всплесков и другие исследования.

КА "Прогноз-10
Научная программа выполнялась в рамках международного проекта 'ИНТЕРШОК'. Основная цель - исследование структуры и характеристик ударной волны и магнитопаузы, возникающих при взаимодействии солнечного ветра с магнитосферой Земли. В ходе полета была получена важная информация о радиационной обстановке в околоземном пространстве.

Еще два аппарата серии 'Прогноз' - КА "Прогноз-11"(Интербол-1) и КА "Прогноз-12" (Интербол-2), созданные на базе СО-М2 стали основой для реализации уникального международного проекта 'ИНТЕРБОЛ':

Бортовая аппаратура КА 'Интербол-1'  предназначена для проведения экспериментов по измерению:

• параметров горячей плазмы;
• параметров тепловой плазмы;
• энергичных частиц и рентгеновского излучения;
• волн, электрических и магнитных полей;
• параметров в области решения прикладных задач.

Бортовая аппаратура КА 'Интербол-2' предназначена для проведения экспериментов по измерению:

• параметров горячей плазмы;
• параметров тепловой плазмы;
• высокоэнергичных частиц;
• волн, магнитных и электромагнитных полей.

Конструктивно спутник 'Прогноз' выполнен в виде герметичного контейнера цилиндрической формы диаметром 1500 мм и высотой 1200 мм, закрытого с обеих сторон сферическими днищами.

Снаружи на крышке размещена рама, на которой крепятся датчики научной аппаратуры, оптический прибор солнечной ориентации, антенны радиокомплекса. На цилиндрической части корпуса расположены четыре панели солнечных батарей и рамы с установленными на них научными приборами, тепловой демпфер, микродвигатели системы ориентации, баллоны с рабочим газом для этих двигателей. На концах панелей солнечных батарей установлены: штанга магнитометра, антенны и другие выносные приборы. Внутри контейнера размещены рамы с установленными на них приборами радиотехнического комплекса, электронными приборами системы солнечной ориентации, научная аппаратура, приборы системы терморегулирования и буферная батарея энергопитания. Тепловой режим станции обеспечивается активной системой терморегулирования (СТР) приборного отсека в сочетании с пассивными средствами терморегулирования.

Тепловой режим блоков научной аппаратуры и служебной аппаратуры, установленных снаружи приборного отсека, обеспечивается пассивными средствами терморегулирования. Стабилизация спутника в пространстве осуществляется путем вращения его относительно продольной оси, направленной на Солнце. В связи с этим одной из технических проблем было обеспечение заданных моментов инерции аппарата. Поэтому каждый спут-ник проходил балансировку на специальном стенде.
Основные данные спутника и его систем:

• масса 850 ÷1370 кг;
• радиокомплекс дециметрового диапазона волн - два бортовых передатчика мощностью 10 вт, число команд управления 120-256;
• информативность радиолинии КА- Земля до 250 Кбод;
• информативность телеметрической системы 800 и 3200 бод, память запоминающих устройств 108 часов и 80 Мбайт - в составе КНА;
• антенно-фидерная система состоит из двух широко направленных антенн, антенного переключателя и блока электроники;
• система  ориентации на Солнце - одноосная, точность ориентации 1÷1,5º, скорость вращения спутника вокруг продольной оси 3º/сек;
• система исполнительных органов системы ориентации состоит из газовых сопел, пневмоклапанов, редукторов и баллонов высокого давления с азотом;
• система терморегулирования - газовая, замкнутого типа с частичной экранно-вакуумной теплоизоляцией, диапазон поддержания температуры внутри приборного контейнера от 0ºС до +40ºС;
• система электропитания: солнечные батареи с площадью фотопреобразователей 7 кв.м и буферная аккумуляторная батарея емкостью 100 ампер-часов.

При разработке и создании конструкции спутника и его систем была решена поставленная перед НПО им. С.А. Лавочкина задача, в результате которой был создан универсальный спутник, позволяющий устанавливать на нем научную аппаратуру в различной комплектации без проведения повторных наземных испытаний (статических, вибрационных, тепловых и других). Это значительно сократило финансовые и материальные затраты.

Благодаря своей универсальности КА 'Прогноз' широко использовались для проведения научных исследований по программе 'Интеркосмос'. Особенно плодотворными были совместные эксперименты с научными учреждениями ЧССР, Венгрии, Франции и Швеции, что позволило освоить и использовать новую научную методику, улучшить технологию изготовления научных приборов, использовать научную аппаратуру, изготовленную другими странами.

Используя спутники 'Прогноз' ученые сумели охватить измерениями три существенно различающиеся по своим свойствам области околоземного пространства: собственно магнитосферу, непосредственно прилегающую к ней межпланетную среду, на которую влияние геомагнитного поля практически не распространяется, и пограничную, подверженную наибольшим возмущениям область взаимодействия солнечной плазмы с магнитосферой.

Исследования позволили сформулировать по крайней мере качественную, а в ряде случаев и количественную картину физических процессов, протекающих в околоземном пространстве на расстояниях в десятки и сотни земных радиусов, и их связи с процессами и межпланетной среде. Стало ясно, что ионосфера Земли - лишь самая нижняя часть ее обширной плазменной оболочки. Выше лежит магнитосфера, заполненная плазмой, которая постоянно "подпитывается" солнечным ветром - истекающим от Солнца потоком плазмы.

Солнечный ветер сильно изменчив во времени, что связано с активностью Солнца. Во время мощных солнечных вспышек, когда из короны выбрасываются огромные массы плазмы, плотность, температура и скорость солнечного ветра намного превышают их средние знамения. Так, во время серии солнечных вспышек в августе 1972 г. детекторы плазмы на спутниках Земли "Прогноз" и "Прогноз-2" зарегистрировали рекордные значения плотности плазмы и температуры ионов. Скорость солнечного ветра при этом достигала 2000 км/с.

Очень интересные результаты получены в ходе реализации на спутнике "Прогноз-10" советско-чехословацкого эксперимента "Интершок". Главной задачей этого проекта стало исследование тонкой структуры фронта околоземной ударной волны, границ магнитосферы, разрывов в параметрах межпланетной среды, связанных с выбросами вещества во время солнечных вспышек. Этим в значительной степени определялся и выбор для проведения эксперимента спутника "Прогноз". Апогей его орбиты составлял около 200 тыс км, а фронт околоземной ударной волны расположен на расстоянии 100-150 тыс. км. Таким образом, спутник не только пересекал его, но и достаточно длительное время находился в невозмущенном солнечным ветром пространстве перед фронтом ударной волны.

Многократная регистрация сильной околоземной волны и более слабых межпланетных ударных волн позволила исследовать их характеристики в различных условиях и в зависимости от параметров потока плазмы солнечного ветра.

Плазма солнечного ветра проникает в магнитосферу через своеобразные щели, или воронки, образующиеся на ее границах, и составляет значительную часть плазменного "населения" магнитного шлейфа планеты и так называемой плазменной мантии под границами магнитосферы. На спутниках "Прогноз" с помощью естественных меченых атомов - ионов гелия, кислорода - велись исследования путей проникновения и миграции плазмы по магнитосфере.

Исследования магнитосферы Земли способствовали возникновению и утверждению ряда важнейших физических идей. К главным из них, по-видимому, можно отнести формирование взгляда на плазму как среду, динамика которой определяется не только входящими в ее состав ионами и электронами, но и широким спектром присущих плазме волновых движений.

КА 'Прогноз' в результате изучения на протяжении одиннадцатилетнего цикла солнечной активности получены важные научные результаты, часть из которых использована при создании 'модели космоса', для составления каталогов возрастаний солнечного рентгеновского и ультрафиолетового излучений, каталогов солнечных вспышек, карт небесной сферы в 8-миллиметровом радиодиапазоне, а также для составления требований по радиационной стойкости вновь разрабатываемых космических аппаратов различного назначения.

В проводимых исследованиях и разработке научной аппаратуры для КА серии 'Прогноз' участвовали, в рамках международной программы "Интеркосмос", ученые Польши, Венгрии, Чехии, а также Франции и Швеции. Главенствующую роль в формировании отечественной научной программы, а также координацию работ с зарубежными участниками, кооперирующимися для выполнения этих задач, исполнил Институт космических исследований АН СССР.

С накоплением опыта в этой области космических исследований становилось ясно, что дальнейший прогресс в изучении связей между различными геофизическими явлениями, происходящими в магнитосфере, может быть достигнут только при использовании измерений с многих спутников.

Осознание важности комплексного подхода к изучению вышеназванных проблем привело международное научное сообщество к созданию обширной программы исследований, пик которой пришелся на середину 90-х годов и которая по своему масштабу напоминает Международный геофизический год.

Одно из центральных мест в этой программе занял проект 'ИНТЕРБОЛ'. Ученые 20 стран непосредственно участвовали в научных экспериментах проекта 'ИНТЕРБОЛ' и одновременно сам проект явился одним из ключевых элементов международной программы исследования солнечно-земных связей. Координация работ по этой программе проводилась под руководством Консультативной Группы Космических Исследований, состоявшей из представителей космических агентств России, США, Европы и Японии.

Кроме КА 'Интербол-1,-2' в систему исследований солнечно-земных связей вошли: японо-американский спутник (GEOTAIL), американский КА WIND, российско-украинский КА КОРОНАС-И и КОРОНАС-Ф, европейско-американская солнечная обсерватория SOHO, американский спутник POLAR, а также отделяемые от КА 'Интербол-1,-2' субспутники Магион-4 и Магион-5.

Первая пара - спутник 'Интербол-1' ('Хвостовой зонд') и субспутник Магион-4 двигалась по вытянутой эллиптической орбите, пересекающей экваториальную область хвоста магнитосферы на расстояниях от Земли порядка нескольких десятков земных радиусов. Это позволило исследовать процесс взаимодействия плазмы солнечного ветра с внешней оболочкой магнитосферы и следить за развитием магнитных суббурь.

Дистанция между спутниками пары изменялась в процессе полета от нескольких сотен до ~10 тыс. км, благодаря чему удалось изучать как волны и плазменные структуры не-большой протяженности, так и крупномасштабные явления.

Пара 'Интербол-1'-Магион-4 выполняла систематические измерения параметров плаз-мы, магнитного поля и волн в магнитослое, магнитосферном хвосте и над авроральной областью до октября 2000 г.

Вторая пара - спутник Интербол-2 ('Авроральный зонд') и субспутник Магион-5 предназначена для исследования авроральной области и полярных каспов, исключительно важных участков магнитосферы, через которые частицы солнечного ветра проникают внутрь магнитосферы. К сожалению, к осени 1999 г. 'Интербол-2' потерял ориентацию, однако данные от этой пары поступали еще до января 2000 г. За годы своей работы 'Интербол-2' дал много ценной информации по физике авроральных явлений.

По мнению виднейших ученых за всю историю исследований солнечно-земных связей в Советском Союзе и России многоспутниковый проект 'ИНТЕРБОЛ' стал одной из самых успешных миссий по изучению физических процессов в околоземном космическом пространстве.

В результате выполнения этого проекта собран уникальный по своему значению, объему и качеству экспериментальный материал, что стало возможным, в первую очередь, благодаря значительному, во много раз по сравнению с предыдущими исследованиями на спутниках серии 'Прогноз', увеличению объема передаваемой с борта космических аппаратов научной информации и осуществлению одновременных многоспутниковых наблюдений как на близких расстояниях, так и в разнесенных областях магнитосферы Земли. Это предопределило и высокий уровень научных итогов проекта. По результатам выполненных исследований уже опубликовано более 500 работ, разнообразных по тематике и подходам к анализу данных измерений. Архив сосредоточенных в ИКИ РАН данных измерений проекта ИНТЕРБОЛ составляет в общей сложности около 300 Гбайт. Он открыт для мирового научного сообщества, и сегодня достаточно многие российские и зарубежные исследователи физики околоземного космического пространства используют в своих работах данные из этого архива.

Этот проект не только расширил наши знания о магнитосфере и об обтекающем ее солнечном ветре, но и выявил 'слабые места' миссии и тем самым стимулировал дальнейшую разработку многоспутниковых методов. Так, например, с помощью 'Интербола' было невозможно следить за развитием космических процессов в трехмерном пространстве. Из-за того, что измерения производились только в двух точках пространства, представление о структуре объекта и его движении можно было получить лишь для одного направления. Этот недостаток устранялся в миссии 'Cluster' (European SpaceAgency, ESA) имеющей задачу производить измерения уже в четырех точках пространства четырьмя идентичными спутниками, образующими в пространстве правильный тетраэдр.